3. RÓWNOWAGA CHEMICZNA Zadania przykładowe 3.1. Do naczynia o objętości 2⋅10-2 m3 wprowadzono 0,1 mola gazowego N2O4 w temperaturze 298 K. Sumaryczne ciśnienie mieszaniny równowagowej wynosi 1,425 ⋅105 Pa. Obliczyć ciśnieniową stałą równowagi reakcji rozpadu N2O4 do NO2 oraz prężności cząstkowe reagentów w stanie równowagi. Rozwiązanie Rozpad N2O4 do NO2 zachodzi zgodnie z reakcją: N2O4 = 2NO2 Ciśnieniowa stała równowagi tej reakcji dana jest zależnością: K P P P P p NO s N O s = 2 2 4 2 gdzie: P i P NO N O 2 2 4 - to równowagowe ciśnienia odpowiednio NO2 i N2O4, Ps jest ciśnieniem standardowym. Obliczamy początkowe ciśnienie (Pp) wprowadzonego N2O4. P N O nRT V Pa p ( ) , , , 2 4 3 5 01 8 314 298 2 10 1 239 10 = = ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ − Jeżeli przyjmiemy, że równowagowe ciśnienie NO2 wynosi x, to ze stechiometrii reakcji wynika, że ciśnienie N2O4 w stanie równowagi wynosi Pp(N2O4) - 0,5x. Stałą równowagi możemy zatem zapisać w postaci zależności: ( ) K x P P N O x P x P N O x P p s p s p s = − = − ⋅ 2 2 4 2 2 4 0 5 0 5 ( ) , ( , Prężność sumaryczna w stanie równowagi wynosi 1,425.105 Pa i jest równa sumie prężności cząstkowych reagentów 1,425 ⋅ 105 = (Pp(N2O4) - 0,5x) + x Ponieważ ciśnienie początkowe N2O4 wynosi 1,239⋅10 5 Pa, zatem 1,425 ⋅ 105 = (1,239 ⋅ 105 - 0,5x) + x stąd x = 0,372 ⋅ 105 Pa Po podstawieniu tej wartości do wzoru na stałą równowagi otrzymujemy ( ) ( ) K p = ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅ = 0 372 10 1239 10 0 5 0 372 10 10 0131 5 2 5 5 5 , , . , , Prężności cząstkowe w stanie równowagi wynoszą: P(NO2) = x = 0,372 ⋅ 10 5 Pa P(N2O4) = Pp(N2O4) - 0,5x = 1,239 ⋅ 10 5 - 0.5 ⋅ 0,372 ⋅ 105 =1,053 ⋅ 105 Pa 3.2. W stanie równowagi mieszanina reakcyjna znajdująca się w naczyniu o objętości 10-2 m3 w temp. 500 K zawiera 4 mole Br2 , 2,5 mola H2 i 1 mol HBr. Obliczyć stałą równowagi reakcji: 2HBr = H2 + Br2. W innym doświadczeniu prowadzonym w tych samych warunkach do pustego naczynia wprowadzono pewną ilość HBr. Po ustaleniu się stanu równowagi okazało się, że w mieszaninie znajduje się 8 moli bromu. Wyznaczyć liczby moli poszczególnych reagentów w stanie równowagi, a także liczbę moli wprowadzonego na początku bromowodoru. Rozwiązanie
(…)
… w temperaturze 298 K mając dane:
Eo298 (Pb2+ | Pb) = -0,126 V,
Eo298 (Pb | PbSO4 |SO42-) = -0,359 V.
Rozwiązanie
Iloczyn rozpuszczalności (Ir), czyli stała równowagi reakcji
PbSO4 (s) = Pb2+ + SO42- (4.10.1)
związana jest ze zmianą entalpii swobodnej reakcji zależnością:
∆Go1 = - RT ln Ir
Zapisujemy reakcje elektrodowe półogniw i odpowiadające im wartości ∆Go w ten sposób, aby po ich
dodaniu otrzymać reakcję…
… reakcji
PbSO4 (s) = Pb2+ + SO42związana jest ze zmianą entalpii swobodnej reakcji zależnością:
(4.10.1)
∆Go1 = - RT ln Ir
Zapisujemy reakcje elektrodowe półogniw i odpowiadające im wartości ∆Go w ten sposób, aby po ich
dodaniu otrzymać reakcję (4.10.1).
PbSO4 + 2e = Pb + SO42(4.10.2)
∆Go2 = -2FEo(Pb | PbSO4 | SO42-) = -2F(-0,359)
Pb = Pb2+ + 2e
o
o
(4.10.3)
2+
∆G 3 = -2F(-E (Pb | Pb)) = -2F⋅0,126…
… równowagi oraz liczbę moli HBr, która musiała
przereagować, aby powstało 8 moli Br2. Ze stechiometrii reakcji wynika, że musiało przereagować 16
moli HBr. Liczba moli HBr wprowadzonego na początku do naczynia wynosi zatem nHBr = 2,53 + 16
= 18,53 moli.
3.3. Wyznaczyć stopień dysocjacji gazowego PCl5 w temperaturze 550 K. Równowagowe
ciśnienie sumaryczne wynosi 2.105 Pa, a stała równowagi reakcji dysocjacji PCl5 = PCl3 + Cl2 wynosi
w tych warunkach Kp = 1,98.
Rozwiązanie
Wyrazimy stałą dysocjacji Kp za pomocą Kn.
n PCl3 ⋅ n Cl P ∆n
Kp =
n PCl Ps N
Jeżeli stopień dysocjacji oznaczymy jako α , to w stanie równowagi liczba moli Cl2 i PCl3 będzie
równa iloczynowi liczby moli wprowadzonego PCl5 i stopnia dysocjacji, czyli w tym przypadku no α.
Liczba moli PCl5 w stanie równowagi jest równa no (1…
… stałą równowagi tej reakcji (Kp) przedstawia równanie:
P(H 2S)
Ps P(H 2S)
Kp = =
P( H 2 ) P(H 2 )
Ps
W zapisie stałej równowagi nie uwzględniono oczywiście siarki (faza stała). Stałą równowagi
obliczymy z zależności: ∆Go = -RT ln Kp.
Wartość standardowej entalpii swobodnej wyliczymy korzystając ze wzoru:
∆Go = ∆Ho - T ∆So. Wartości ∆Ho i So reagentów w temp. 298 K znajdujemy w tablicach…
… jest zależnością:
2
P(CO)
Ps P 2 ( CO)
Kp = =
P(CO 2 ) P (CO 2 ) ⋅ Ps
Ps
Ciśnienia cząstkowe CO i CO2 w stanie równowagi dane są zależnościami:
P(CO) = x(CO) Pr oraz P(CO2) = x(CO2) Pr
gdzie: x - oznacza ułamek molowy w mieszaninie równowagowej,
Pr - jest równowagowym ciśnieniem sumarycznym.
Obliczamy teraz Kp w temp. 1000 K. Ponieważ mamy mieszaninę równomolową, to x(CO) = x(CO2)
= 0,5. Prężności cząstkowe CO2 i CO wynoszą zatem:
P(CO) = P(CO2) = 0,5 . 1,4 . 106 = 0,7 . 106 Pa
Po podstawieniu do wyrażenia na Kp otrzymujemy:
( 0,7 ⋅106 ) 2
K p (1000K ) = =7
0,7 ⋅106 ⋅105
Obliczamy wartość Kp w poszukiwanej temperaturze T. Skoro stosunek prężności cząstkowych CO i
CO2 wynosi 4, to odpowiada to także stosunkowi molowemu n(CO)/n(CO2) = 4. Zatem na n moli CO2
przypada 4n moli CO. Ułamki molowe CO i CO2…
… przenoszenia jonu Na+ z zależności:
∆n
t ( Na + ) =
Q
∆ n = 1⋅10-3 mola, Q = 5⋅10-3 F.
Po podstawieniu otrzymamy:
1 ⋅ 10 −3
t ( Na + ) = = 0,20
5 ⋅ 10 −3
stąd
t ( OH − ) = 1 − t ( Na + ) = 1 − 0,2 = 0,8
Obliczamy stężenie końcowe NaOH w przestrzeni katodowej. W 100 cm3 roztworu NaOH o stężeniu
0,10 znajduje się 0,010 mola NaOH. Ponieważ przybyło 1⋅10-3 mola NaOH, zatem po elektrolizie w
przestrzeni katodowej…
... zobacz całą notatkę
Komentarze użytkowników (0)