Задача 3. При 5000С равновесие реакции N2(г) + 3H2(г) ⇄ 2NH3(г) установилось при следующих концентрациях (моль/л) реагентов: [N2] = 1,8; [H2] = 7,4; [NH3] = 0,4

При 500⁰С равновесие реакции N_2(г) + 3H_2(г) ⇄ 2NH_3(г) установилось при следующих концентрациях (моль/л) реагентов: [N₂] = 1,8; [H₂] = 7,4; [NH₃] = 0,4. Определить: а) исходные концентрации азота и водорода; б) давление в реакционном сосуде в начальный момент и в момент наступления равновесия.

Решение. Обозначим исходные концентрации веществ как [N₂]_исх, [H₂]_исх. Часть исходных веществ, прореагировавших к моменту наступления равновесия как [N₂]_изр, [H₂]_изр, а равновесные концентрации как [N₂]_равн, [H₂]_равн, [NH₃]_равн. В начальный момент времени в реакционной смеси присутствуют только азот и водород в начальных концентрациях. В процессе реакции их концентрации убывают, а концентрация аммиака увеличивается. После установления равновесия (когда скорости прямой и обратной реакций равны) в равновесной смеси присутствуют не успевшие прореагировать азот и водород и успевший

образоваться аммиак, таким образом равновесные концентрации исходных веществ будут равны разности между их исходными концентрациями и тем количеством, которое прореагировало к моменту равновесия

[N₂]_равн = [N₂]_исх - [N₂]_изр; [H₂]_равн = [H₂]_исх - [H₂]_изр. Равновесные концентрации всех веществ даны в условии задачи, остается определить количества азота и водорода прореагировавших к моменту равновесия. Из уравнения реакции следует, что на каждые 2 моля образовавшегося аммиака затрачивается 1 моль азота и три моля водорода. По условию задачи к моменту равновесия успело образоваться 0,4 моля аммиака. Для этого потребовалось:

из 3 молей [H₂] образуется 2 моля [NH₃], а

из Х молей [H₂] образуется 0,4 моля [NH₃],

откуда Х = = 0,6 моля = [H₂]_изр.

Аналогично находим, что к моменту равновесия израсходовалось [N₂]_изр = = 0,2 моля.

Рассчитаем исходные концентрации веществ

[N₂]_исх = [N₂]_равн + [N₂]_изр = 1,8 + 0,2 = 2,0 моль/л; [H₂]_исх = [H₂]_равн + [H₂]_изр = 7,4 + 0,6 = 8,0 моль/л.

Для решения этой задачи удобно составить схему:

N_2(г) + 3H_2(г) ⇄ 2 NH_{3 (г)}

С_исх 2,0 8,0 0

С_изр 0,2 0,6 0

С_равн 1,8 7,4 0,4

С помощью этой схемы можно сделать любые расчеты, учитывая условия задачи.

б) Согласно условию, Т = 500 + 273 = 773К, V= 1л. Исходное число молей реагентов n_нач = n_нач [N₂] + n_нач[H₂] = 2 + 8 = 10 молей. В состоянии равновесия число молей газов будет равно n_равн = n_равн [H₂] + n_равн[N₂] + n_равн [NH₃] = 7,4 + 1,8 + 0,4 = 9,6 моль.

Подставляя полученные значения в уравнение ( P = CRT) рассчитаем давление газовой смеси в начальный момент и в момент равновесия (R=8,31Дж/моль∙К=0,082 л∙атм/моль∙град).

Р_нач = 10∙0,082∙773 = 633,86 атм

Р_равн = 9,6∙0,082∙773 = 608,5 атм

Очевидно, что давление к моменту равновесия уменьшилось, т.к. реакция идет с убылью числа молей газов.