УРОВЕНЬ В. 1. При погружении цинковой пластины в раствор хлороводородной кислоты за одно и то же время при температуре 293 К выделилось 8 см3 водорода

1. При погружении цинковой пластины в раствор хлороводородной кислоты за одно и то же время при температуре 293 К выделилось 8 см³ водорода, а при температуре 303 К – 13 см³ водорода. Водород собран над водой при давлении 740 мм рт. ст. Рассчитать энергию активации протекающей реакции. Давление паров воды при температуре 293 К составляет 17, 54 мм рт. ст., а при температуре 303 К - 31, 82 мм рт. ст.

Дано: Т1 = 293 К, Т2 = 303 К, = 8 см3, = 13 см3, P = 21, 07 мм рт.ст. P =31, 82 мм рт.ст. P = 740 мм рт.ст.   τ -? -?

РЕШЕНИЕ: Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2↑ Из уравнения выражаем энергию активации (5.3)

 

Скорость гетерогенной реакции определяем по уравнению:

, моль/(см²·мин) (5.4)

где - количество моль выделяющегося водорода;

S – площадь цинковой пластины, см²;

τ – время протекания реакции, мин.

Определяем отношение скоростей выделения водорода при двух различных температурах (площадь пластины и время протекания реакции постоянны):

= : = (5.5)

По уравнению Менделеева-Клапейрона

P V = n R T, а так как P = (Р – P ), то

(P – P )V = n R T, (5.6)

где Р – общее давление газов, мм. рт. ст;

P - давление насыщенного водяного пара при температуре опыта, мм. рт. ст.;

V - объем выделившегося водорода, см³;

Т - температура опыта, К;

R -универсальная газовая постоянная.

Из уравнения (5.6) n = (Р – P ) V / R T (5.7)

Подставив выражение (5.7) для температур Т₁ и Т₂ в отношение (5.5), получим

= :

=

Откуда = 31834 Дж/моль =

= 31, 83 кДж/моль

Ответ: = 31, 83 кДж/моль.

 

2. На основании принципа Ле Шателье определить, в каком направлении сместится равновесие:

2SO_2(г) + O_2(г) < => 2SO_3(г), Δ _rH⁰(298K) = -284, 2 кДж, при:

а) понижении температуры, б) повышении концентрации SO_3, в) повышении давления. Записать выражение для константы равновесия реакции. Ответы обосновать.

Дано: Уравнение реакции Δ rH0(298K)=-284, 2 кДж Определить направление смещения равновесия при изменении Т, Р, С

РЕШЕНИЕ: Выражение константы равновесия реакции может быть приведено в зависимости от равновесных парциальных давлений газообразных участников реакции (5.8) или от их равновесных концентраций (5.9):

, (5.8) . (5.9)

а) Выражение зависимости константы равновесия от термодинамических характеристик реакции имеет вид:

-2, 3RTlgK_P = Δ _rH⁰(298K) – T ^. Δ _rS⁰(298K), откуда

. Смещение равновесия реакции при изменении температуры зависит от знака изменения стандартной энтальпии реакции Δ _rH⁰(298K). Так как Δ _rH⁰(298K)< 0, то при понижении температуры показатель степени возрастать.

возрастает при увеличении числителя и уменьшении знаменателя, а это возможно при протекании прямой реакции, т.е равновесие 2SO_2(г) + O_2(г) < => 2SO_3(г) будет смещено вправо (→).

б) Константа равновесия остается величиной постоянной при любом изменении концентрации участников реакции. Поэтому при повышении концентрации SO₃ (числитель) при неизменном значении К_С должны автоматически возрасти концентрации исходных веществ (знаменатель), а это возможно при протекании обратной реакции, т.е. в этом случае равновесие сместится влево (←).

в) В соответствии с принципом Ле Шателье увеличение давления смещает равновесие в сторону той реакции, которая сопровождается уменьшением давления или уменьшением суммарного числа моль газообразных веществ.

 

(газ)

= 2моль(газ)

Следовательно, при повышении давления равновесие системы смещается вправо (→).

3. Вычислить константу равновесия для гомогенной системы 4NH_3(г) +3O_2(г) < => 2N_2(г) + 6H₂O_(г), если исходные концентрации NH_3(г) и O_2(г) соответственно равны 6, 0 и 5, 0 моль/л, а равновесная концентрация N_2(г) равна 1, 8 моль/л.

Дано: Уравнение реакции, моль/л, моль/л, [N2] = 1, 8 моль/л   Kс -?

РЕШЕНИЕ: . (5.11) Расчет количеств прореагировавших и образовавшихся при установлении равновесия веществ проводится по уравнению реакции. Равновесная концентрация исходных

веществ равна разности исходной концентрации и концентрации прореагировавших веществ. Равновесная концентрация продуктов реакции равна количеству образовавшихся продуктов реакции, т.к. в исходном состоянии их количество было равно нулю.

Обозначим через х количество моль прореагировавших или образовавшихся веществ. Тогда с учетом коэффициентов в уравнении реакции отношения концентраций во второй строке под уравнением реакции равны: (: : : = 4: 3: 2: 6).

Последовательность расчетов равновесных концентраций веществ, участвующих в реакции, показана ниже:

 

	4NH3 + 3O2 < => 2N2 + 6H2O
Исходная концентрация веществ, моль/л	6, 0	5, 0
Прореагирова-ло, моль/л	- 4х	- 3х	Образо-валось, моль/л	+ 2х	+ 6х
Равновесная концентрация веществ, моль/л	6, 0-4х	5, 0-3х		2х	6х

 

По условию задачи равновесная концентрация N₂ равна 1, 8 моль/л. В то же время [N₂] = 2х. Следовательно, 2х = 1, 8,

а х = 0, 9. Тогда равновесные концентрации веществ равны, моль/л:

[NH₃] = 6, 0-4· 0, 9 = 2, 4 моль/л,

[O₂] = 5, 0-3· 0, 9 = 2, 3 моль/л,

[N₂] = 1, 8 моль/л,

[H₂O] = 6, 0· 0, 9 = 5, 4 моль/л.

=198, 95.

Ответ: K_с = 198, 95.

 

6. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА