Примеры составления условий задачи и их решение

Задача 290

Определить константу равновесия обратимой химической реакции

СН_{4 (г)} + H₂O_(г) ↔ 3 Н_{2 (г)} + СО_(г)

при температуре 1000 К.

Как будет смещаться равновесие при повышении температуры и давления?

Решение:

Константа равновесия химической реакции связана со стандартной энергией Гиббса уравнением ΔG^o = -RTln Kp = -2,3 RTlg Kp.

Откуда lg Kp = - ΔG^o/2,3 RT.

ΔG^o_x_._p_. = ΔH^o_x_._p_.- TΔS^o_x_._p_.

СН_{4 (г)} + Н₂O_(г) ↔ 3 H_{2 (г)}+ СО_(г)

ΔН^о_обр., кДж/моль - 74,86 - 241,84 О - 110,52

S^о, Дж/моль·К 186,44 188,72 126,04 197,54

Находим ΔН^о_х.р.

ΔН^о_х.р. = - 110,52 – [-74,86 +(-241,84)] = 206,18 кДж/моль = 206180 Дж/моль,

Вычисляем ΔS^о реакции

ΔS^о = (3·126,04 + 197,54) – (186,44+188,72) = 200,5 Дж/моль·К,

Находим ΔG^о реакции

ΔG^о = ΔН^о- ТΔS^о = 206180 - 298·200,5=146431 Дж/моль,

откуда К = 2,19·10^-8. Большой положительной величине ΔG^о соответствует малая константа равновесия.

Направление, в котором сместилось равновесие, определяется по принципу Ле-Шателье:

1) так как реакция эндотермическая (Δ Н > 0), то для смещения равновесия в сторону прямой реакции нужно повысить температуру;

2) при повышении давления равновесие будет смещаться в сторону образования меньшего числа молекул, в сторону обратной реакции ( ).

Задача 309

В системе А(г) + 2 В(г) = С(г) равновесные концентрации равны:

[A] = 0,06 моль/л; [B] = 0,12 моль/л; [C] = 0,216 моль/л. Найти константу равновесия реакции и исходные концентрации веществ А и В.

Решение:

Константа равновесия данной реакции выражается уравнением

Подставляя в него данные задачи, получаем

Для нахождения исходных концентраций веществ А и В учтем, что согласно уравнению реакции из 1 моля А и 2 молей В образуется I моль С. Поскольку по условию задачи в каждом литре системы образовалось 0,216 моля вещества С, то при этом было израсходовано 0,216 моля А и 0,216×2=0,432 моля В. Таким образом, исходные концентрации равны:

[A₀] = 0,06 + 0,216 = 0,276 моль/л,

[В_о] = 0,12 + 0,432 = 0,552 моль/л.

Задача 315

Константа скорости некоторой реакции при 313 К равна 1,816×10^-4сек^-1, а при 333 К - 3,996×10^-4 сек^-1. Вычислить энергию активации.

Решение:

Каждая реакция характеризуется определенным энергетическим барьером; для его преодоления необходима энергия активации - некоторая избыточная энергия (по сравнению со средней энергией молекул при данной температуре), которой должны обладать молекулы для того, чтобы их столкновение было эффективным, т.е. привело бы к образованию нового вещества.

Энергию активации вычисляем по уравнению Аррениуса:

Задача 322

Температурный коэффициент скорости реакции равен 3. Во сколько раз возрастает скорость реакции при повышении температуры от 283 до 383 °С?

Решение:

Простейшая зависимость скорости реакции от температуры выражаетсяэмпирическим правилом Вант-Гоффа:

V_t₊₁₀/ V_t= k_t₊₁₀/ k_t= γ.

Здесь V_t и k_t - скорость и константа скорости реакции при температуре t ⁰С;

V_t₊₁₀и k_t₊₁₀- те же величины при температуре (t+ 10 °С); γ- температурный коэффициент скорости реакции, значение которого для большинства реакций лежит в пределах 2-4. В общем случае, если температура изменилась на Dt °С, последнее уравнение преобразуется к виду

V_t₊_D_t / V_t= k_t₊_D_t / k_t= γ^D^t^/10.

^{; .}

Отсюда .

При повышении температуры на 100 ⁰C скорость реакции увеличится в 59 020 раз.

Задача 325

Энергия активации распада метана в отсутствии катализатора равна 331,0 кДж/моль, а с катализатором – 230,0 кДж/моль. Во сколько раз возрастет скорость реакции в присутствии катализатора, если реакция протекает при 1 000 К?

Решение:

Скорость химической реакции возрастает в присутствии катализатора. Действие катализатора объясняется тем, что при его участии возникают нестойкие промежуточные соединения (активированные комплексы), распад которых приводит к образованию продуктов реакции. При этом энергия активации реакции понижается и активными становятся некоторые молекулы, энергия которых была недостаточна для осуществления реакции в отсутствии катализатора. Обозначим энергию активации реакции без катализатора через Е_а, а с катализатором - через ; соответствующие константы скорости реакции обозначим через k и . Используя уравнение Аррениуса, находим

Получим

. Окончательно находим .

Таким образом, снижение энергии активации на 101 кДж привело к увеличению скорости реакции в 186 тысяч раз.

При выполнении заданий рекомендуется использовать методические указания [1; 3].

В задачах 285–300 определить константу равновесия обратимых химических реакций при заданной температуре и указать, как будет смещаться равновесие при повышении температуры или давления

№ задачи	Уравнение реакции	Т, К
285.	V₂O_5(к)+5Fe_(к) « 2V_(к) + 5 FeO_(к)
286.	CO_2(г) + H_2(г) « CO_(г) + H₂O_(г)
287.	CO_2(г) + H_2(г) « CO_(г) + H₂O_(г)
288.	2Cu₂O_(к) + Cu₂S_(к)« 6 Cu_(к) + SO_2(г)
289.	TiI₄₍_к) « Ti₍_к) + 2I_{2 (}_г)
290.	CH_4(г) + H₂O_(г) « 3 H_2(г) + CO_(г)
291.	Fe₂O_3(к) + CO_(г)« 2 FeO_(к) + 2CO_2(г)
292.	3Fe_(к) + C_(гр)« Fe₃C_(к)
293.	SiCl_4(г) + 2H_2(г) « Si_(к) + 4HCl_(г)
294.	GeO_2(к) + 4HCl_(г) « GeCl_4(к) + 2 H₂O_(г)
295.	Li₂O_(к) + 3C_(гр.)« Li₂C_2(к) +CO_(г)
296.	Li₃N_(к) + 3H_2(г) « 3 LiH_(к) + NH_3(г)
297.	CaCO₃ _(к)+ 4 C_(гр.)« CaC_2(к) + 3CO_(г)
298.	WO_3(к) + 3H_{2 (г)}« W_(к) + 3H₂O_(г)
299.	2 СО + О₂ ↔ 2 СО₂
300.	СОСl₂ ↔ CO + Cl₂

В задачах 301–314 вычислить константу равновесия химической реакции и определить начальные концентрации вступивших в реакцию веществ

№ задачи	Уравнение реакции	Равновесные концентрации С_м, моль/л
	Cl₂ + CO « COCl₂	С_м: Cl₂=2.5 ; CO=1.8; COCl₂=3.2
	2NO₂« 2NO + O₂	С_м: NO₂=0.02; NO=0.08; O₂=0.16
	2SO₂ + O₂ « 2SO₃	С_м: SO₂=0.02; O₂=0.4; SO₃=0.3
	N₂ + 3H₂ « 2NH₃	С_м: N₂=2.5; H₂=1.8; NH₃=3.6
	2NO + O₂ « 2NO₂	С_м: NO=0.056; O₂=0.028; NO₂=0.044
	2N₂ + O₂ « 2N₂O	С_м: N₂=0.072; O₂=1.12; N₂O=0.84
	H₂ + I₂ « 2HI	С_м: H₂=0.025; I₂=0.005; HI=0.009
	N₂ + 3H₂ « 2NH₃	С_м: N₂=3; H₂=9; NH₃=4
	A + 2B « C	С_м: A=0.06; B=0.12; C=0.216
	3 A + B ↔ 2 C	С_м: A=0.03; B=0.01; C=0.08
	2 NO₂ ↔ 2 NO + O₂	С_м: NO₂ =0,006; NO =0,024; O₂=0,012
	CO + Cl₂ ↔ COCl₂	С_м: Cl₂ =0,3; CO = 0,2; COCl₂=1,2
	2 SO₂ + O₂↔ 2SO₃	С_м: SO₂ =0,04; O₂=0,06; 2SO₃=0,02
	N₂ + 3H₂ ↔ 2NH₃	С_м: NH₃ = 0,4; N₂= 0,03; H₂= 0,1

В задачах 315–319 определить, энергию активации химической реакции по следующим данным:

№ задачи	Температура Т₁, К	Константа скорости k₁, 1/с	Температура Т₂, К	Константа скорости k₂, 1/с
		1,816×10^-4		3,996×10^-4
		3,0×10^-2		4,0×10^-1
		7,5		4,5×10²
		4,04×10^-5		7,72×10^-5
		2,0×10^-2		0,38

В задачах 320–324 определить, во сколько раз возрастет скорость химической реакции, если температура повысилась на 100 ^oС

№ задачи	Начальная температура, ⁰С	Температурный коэффициент, γ
		2,50
		1,87
		3,00
		2,00
		2,70

В задачах 325–329 определить, во сколько раз возрастает скорость химической реакции при применении катализатора по сравнению со скоростью реакции, идущей без катализатора. Реакция идет при температуре 1000 К

№ задачи	Реакция распада	С катализатором	Без катализатора Е_а, кДж/моль
катализатор	, кДж/моль
	CH₄	Pt	230,0	331,0
	N₂O	Pt	136,0	244,0
	N₂O	Au	121,0	244,0
	HI	Pt	58,6	184,0
	HI	Au	108,0	184,0

4. ОКИСЛИТЕЛЬНО – ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ

<5 6 789 10 11 >

Дата добавления: 2016-08-07; просмотров: 1294;