Расчет равновесного состава газовой смеси

При протекании гомогенной обратимой реакции в газовой фазе после установления химического равновесия в системе будут присутствовать как продукты реакции, так и исходные вещества. Зная уравнение химической реакции, величину константы равновесия и начальные концентрации реагентов, можно рассчитать равновесные концентрации всех веществ. Их величины будут зависеть от температуры и давления.

Необходимо отметить, что в достаточно широкой области давлений и температур газовые смеси можно считать идеальными и проводить расчеты равновесного состава газовой смеси, считая коэффициент фугитивности g _i @ 1.

Реакции в газовой фазе протекают в относительно широком интервале температур и давлений. Константы равновесия для каждой конкретной реакции, как правило, рассчитываются с использованием табличных значений термодинамических функций реагирующих веществ для определенных температури давлений.

Пусть протекает обратимая газовая реакция n _AA + n _BB Û n _DD + n _EE. С использованием термодинамических характеристик реакции (D _rG ⁰(T), D _rH ⁰(T), D _rS ⁰(T)) рассчитывается стандартная константа равновесия К ⁰ (Т) для определенной температуры Т:

.

Из стандартной константы равновесия К ⁰(Т) рассчитывают константы равновесия К_X (Т, p) и К_р (Т). Отметим, что величина К_X (Т, p) зависит от давления, а К_р (Т) не зависит:

, ,

где р ⁰ = 1, 013× 10⁵ Па – стандартное давление; Dn= (n _D + n _E)–(n _A + n _B) –изменение числа молей в ходе реакции.

Расчет равновесного состава продуктов реакции для изобарного процесса проводят с использованием мольных долей (X_i) и соответственно К_X, а для изохорного процесса с использованием парциальных давлений реагентов (р_i) и соответственно К_р.

Рассмотрим расчет равновесного состава продуктов реакции, протекающей при постоянном давлении.

Пусть в начальный момент времени в системе содержится соответственно n_A, n_B, n_D, n_E молей реагентов и к моменту наступления равновесия прореагирует x молей вещества А. Тогда в результате реакции число молей исходных веществ и продуктов изменится и станет равным соответственно n_A- x, n_B- , n_D+ , n_E+ .

Мольная доля i -го вещества в равновесной смеси равна:

,

где S n_i – суммарное число молей всех веществ в системе в состоянии равновесия,

S n_i =(n_A- x) + (n_B- ) + (n_D+ ) + (n_E+ ).

Константа равновесия данной реакции

Подставив в константу равновесия соответствующие выражения для мольных долей реагентов, получим уравнение с одним неизвестным x. Его решение позволяет рассчитать равновесный состав газовой смеси.