Уравнение изотермы химической реакции уравнение вант гоффа

ИЗОТЕРМА ВАНТ — ГОФФА, ВЫВОД И АНАЛИЗ

Константа равновесия определяют условия равновесия, когда концентрация (парциальные давления) является равновесными. В каком направлении пойдёт химическая реакция, если парциальное давление исходных веществ и продуктов реакции отличаются от равновесных? Ответить на этот вопрос поможет уравнение изотермы химической реакции.

Рассмотрим уравнение реакции: aA + bB ↔ cC + dD

Для изобарно-изотермического процесса изменение Гиббса равно:

P’- неравновесное, парциальное давление компонентов.

где =

— по форме записи напоминает константу равновесия, но отличается тем, что вместо равновесных давлений в него входят величины давления в данный момент времени.

( ) — это выражение, куда входят величины концентраций в данный момент времени.

АНАЛИЗ ИЗОТЕРМЫ ВАНТ-ГОФФА

1. Главное значение изотермы реакции состоит в том, что она позволяет рассчитать ∆Gили ∆Fобратимый реакции для заданного состава реакционной смеси и определить, в каком направлении, и до какого предела протекает реакция при известных условиях.

а) Если Кр˃Кр’, то lnКр˃lnКр’; ∆G˂0- реакция идет самопроизвольно в прямом направлении.

б) Если Кр˂Кр’, то lnКр˂lnКр’; ∆G˃0- реакция протекает самопроизвольно в обратном направлении, в сторону образования продуктов.

в) Если Кр=Кр’, то lnКр=lnКр’; ∆G=0- равновесие.

Если парциальное давление всех участников реакции в данный момент времени равны атмосферному давлению

Пусть P_A’=P_B’=P_C’=P_D’=1( 1,013*10 5 Па), тоKp’=1; Тогда логарифм этого выражения будет равен нулю (lnKp’=0), а уравнение изотермы Вант – Гоффа примет вид:

∆G⁰=RTlnKp-стандартная энергия Гиббса

Выразм константу равновесия из последнего уравнения и получим:

Пример решения задачи:

В объеме 10л, взяли: 320(г) О₂ , 10(г) Н₂ и 180(г) паров воды . Определите, в какую направлении пойдёт химическая реакция: , если при температуре Т

(Кс=10). Процесс изохорный.

;

;

;

;

;

;

˂0 — реакция идет в прямом направлении.

ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ УСЛОВИЙ НА КОНСТАНТУ

РАВНОВЕСИЯ. УРАВНЕНИЕ ИЗОБАРЫ И ИЗОХОРЫ ВАНТ-ГОФФА (В-Г)

Константы равновесия — это величины постоянные при данной температуре. При изменении температуры константа равновесия изменяется, и довольно существенно.

Изменение константы равновесия и направления химической реакции в зависимости от температуры количественно характеризует уравнение изобары изохоры химической реакции.

ВЫВОД УРАВНЕНИЯ ИЗОБАРЫ И ИЗОХОРЫ

Разделим уравнение изотермы Вант- Гоффа на температуру:

Продифференцируем его по Т и перепишем:

Представим уравнение Гиббса – Гельмгольца в виде:

Из уравнения (1) вычтем уравнение (2):

Эти уравнения показывают влияния температуры на константу равновесия, где определяющим фактором является тепловой эффект химической реакции.

Влияние температуры на константу равновесия определяется типом реакци.

1. Если тепловой эффект реакци ∆H(∆U)˃0(эндотермическая, поглощение), то ˃0, тогда при увеличении температуры (Т↑) константа равновесия Кр увеличивается.

В обратном — Т↓,Кр↓.

2. Если ∆H(∆U)˂0 (экзотермическая, выделение), то ˂0, тогда при повышении температуры константа равновесия Кр уменьшается или Кр увеличивается при понижении температуры.

В обратном — Т↑,Кр↓.

3. Если ∆H(∆U)=0 , тов этом случае константа равновесия не зависит от температуры Кp ≠ f(T).

ИНТЕГРИРОВАНИЕ ИЗОБАРЫ В-Г

1. Приближенное интегрирование ∆Н ≠ f(Т),

тогда ;

;

;

;

;

.

С помощью этого уравнения можно найти:

1. ∆Н (тепловой эффект реакции), если известны равновесия при двух различных температурах (Кр₁(Т₁) и Кр₂(Т₂))

2. Кр₂(Т₂) – константу равновесия при температуре Т_2, если известна константа равновесия при другой температуре и тепловой эффект реакции (Кр₁(Т₁) и ∆Н).

Так как после интегрирования мы получили уравнение прямой, то эта зависимость может быть представлена на графике: lnKp(1) lnKp(2)

Тангенс угла наклона прямой реакции, исходя из уравнения прямой:

;.

Зависимость теплового эффекта от температуры выражается уравнением:

Подставим это уравнение в уравнение изобары Вант- Гоффа:

;

при Т=0(К)

Проинтегрируем это уравнение и получим:

;

где В — постоянная интегрирования, для нахождения необходимо знать значения константы равновесия Кр при любой фиксированной температуре.

Однако проводить расчеты с использованием данного уравнения довольно сложно и используется довольно редко.

Пример. Определим изменение эффекта реакции Fe+H₂O+FeO+H₂, если для Т₁=900К, Кр₁=1,452, а для Т₂=1025К Кр₂=1,285.

Используем уравнение:

При повышении температуры от 900 до 1025К выделится дополнительно 7,5 кДж/моль теплоты.

Дата добавления: 2016-02-02 ; просмотров: 9787 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Уравнение изотермы химической реакции уравнение вант гоффа

Состояние системы, которое характеризуется равенством скоростей прямой и обратной реакции и постоянством концентрации всех веществ называется химическим равновесием.

Константа равновесия зависит от природы веществ и температуры и не зависит от исходных концентраций. В небольших количествах (1 – 2 атм) давление на константу равновесия не влияет.

Изменение константы равновесия с температурой определяется изменения энтальпии. Если D Н D Н > 0, то с увеличением температуры константа равновесия увеличивается.

Смещение равновесия – переход системы из одного равновесного состояния в другое при изменении внешних условий.

Если изменить одно из условий, при которых система находится в равновесии, то в системе усилится та реакция которая противодействует производственному изменению. На конденсированные системы давление существенного влияния не оказывает.

Будем рассматривать гетерогенные системы, много-компонентные, в которых протекают химические процессы.

С термодинамической точки зрения существуют системы изометрий закрытые. В изомерных массообменах термическая и барическая связь отсутствует. Критерием самопроизвольно протекающих процессов изомерных систем может служить изменение энтропии, как было показано, этот критерий для закрытых систем не годится, так как в закрытых системах массообмена нет, но существует термическая и барическая связь. В таких системах V , Р, С являются контролируемыми величинами, и в качестве критерия самопроизвольности процесса обычно пользуются термодинамическим по­тенциалом F , G .

;

В случае протекания химического процесса изучение системы начинают с его фазового состояния – правило фаз Гиббса. По этому правилу определяют число степеней свободы – число параметров, которые можно изменить, чтобы число фаз не изменялось. Это число свободы не контролируется в ходе процесса.

В связи с тем, что в ходе химического процесса фазовое равновесие и фазовое состояние не нарушается, такие понятия как активность и летучесть можно использовать и при рассмотрении химического равновесия.

Обычно для грубой оценки возможности простого химического процесса используются величины теплового эффекта. Однако такая оценка является в большинстве случаев не совсем точной, так как известно много реакций идущих с поглощением тепла, поэтому наиболее правильно следует в качестве критерия считать , .

; (1)

Самопроизвольный процесс возможен, если и . Когда эти величины больше нуля: 1. ; , т.е. в случае экзотермического процесса; 2. , , , , т.е. реакция будет идти за счет энтропийного члена.

Это может иметь место в том случае, если , т.е. когда будет иметь место расширение в процессе реакции.

Вывод: в общем случае не могут величины тепла процессов являться критериями самопроизвольности процессов.

Чтобы ответить на вопрос, при каких условиях энтропийным членом м o жно пренебречь, надо рассмотреть уравнение (1). можно пренебречь, если тепловой эффект будет очень велик; при малых Т, если реакция будет протекать в твердой или жидкой фазе.

Раскроем смысл всех величин уравнения (1):

; ;

Т.о., для нахождения необходимо знать тепловой эффект реакции данной Т, саму Т, найти .

Существуют три способа нахождения .

1. Исходим из сотоношения (1) и третьего начала термодинамики.

2. Основан на уравнениях изотермы, изобары и изохоры Вант-Гоффа.

3. Базируется на определении ЭДС гальванических элементов.

Она состоит из теоремы Нерста и постулатов Планка.

Теорема: согласно теореме, при , , .

Постулаты: при , само значение , т.е. энтропия правильного кристаллического вещества при Т абсолютном = 0.

Постулаты Планка не распространяются на все твердые вещества.

Неправильно построенные и аморфные тела не дают нулевой энтропии, однако энтропия их при абсолютном нуле не невелика, т.о. абсолютное значение величины ни при каких условиях нам неизвестны, известно только их изменение, в то время как можно определить абсолютное значение . Это происходит потому, что нет точек отсчета для нахождения этих термодинамических величин. Величина S для индивидуальных веществ может быть найдена при Т = 0. «0» – обозначает, что данное значение энтропии абсолютное и отсчитанное от 0, индекс Т показывает температуру , существует специальная таблица с абсолютными значениями энтропии .

Чтобы использовать соотношение (1) ; находим :

абсолютное значение энтропии было найдено следующим образом:

; ; ;

но, в соответствии с третьем началом термодинамики, последнее уравнение можно преобразовать для идеально твердого тела, если принять = 0.

Это уравнение дает возможность рассчитать абсолютное значение энтропии.

Зная энтропию для твердого тела, можно найти энтропию для жидких и газообразных веществ. Это практически делается так:

1 – обозначат энтропию твердого вещества, далее, при переходе веществ в жидкое состояние, энтропия возрастает на величину приведенной теплоты, появляется 2 член.

В подинтегральную величину входит теплоемкость – С ; затем идет испарение жидкости при Р = const .

Делается это следующим образом :

такие зависимости строятся для каждого вещества, участвующего в реакции.

п

ж

Уравнение изотермы химической реакции уравнение вант гоффа

Химическим равновесием называется такое состояние обратимой химической реакции

при котором с течением времени не происходит изменения концентраций реагирующих веществ в реакционной смеси. Состояние химического равновесия характеризуется константой химического равновесия:

, (9.1)

где C_i – концентрации компонентов в равновесной идеальной смеси.

Константа равновесия может быть выражена также через равновесные мольные доли X_i компонентов:

. (9.2)

Для реакций, протекающих в газовой фазе, константу равновесия удобно выражать через равновесные парциальные давления P_i компонентов:

. (9.3)

Константа равновесия связана с _rG o химической реакции:

(9.5)

(9.6)

Изменение _rG или _rF в химической реакции при заданных (не обязательно равновесных) парциальных давлениях P_i или концентрациях C_i компонентов можно рассчитать по уравнению изотермы химической реакции (изотермы Вант-Гоффа):

. (9.7)

. (9.8)

Согласно принципу Ле Шателье, если на систему, находящуюся в равновесии, оказать внешнее воздействие, то равновесие сместится так, чтобы уменьшить эффект внешнего воздействия. Так, повышение давления сдвигает равновесие в сторону уменьшения количества молекул газа. Добавление в равновесную смесь какого-либо компонента реакции сдвигает равновесие в сторону уменьшения количества этого компонента. Повышение (или понижение) температуры сдвигает равновесие в сторону реакции, протекающей с поглощением (выделением) теплоты.

Количественно зависимость константы равновесия от температуры описывается уравнением изобары химической реакции (изобары Вант-Гоффа)

(9.9)

и изохоры химической реакции (изохоры Вант-Гоффа)

. (9.10)

Интегрирование уравнения (9.9) в предположении, что _rH реакции не зависит от температуры (что справедливо в узких интервалах температур), дает:

(9.11)

(9.12)

где C – константа интегрирования. Таким образом, зависимость ln K_P от 1/Т должна быть линейной, а наклон прямой равен – _rH /R.

(9.13)

(9.14)

По этому уравнению, зная константы равновесия при двух разных температурах, можно рассчитать _rH реакции. Соответственно, зная _rH реакции и константу равновесия при одной температуре, можно рассчитать константу равновесия при другой температуре.

ПРИМЕРЫ

Пример 9-1. Рассчитать константу равновесия для реакции

при 500 K. _fG o для CO(г) и CH₃OH(г) при 500 К равны –155.41 кДж . моль –1 и –134.20 кДж . моль –1 соответственно.

Решение. G o реакции:

_rG o = _fG o (CH₃OH) – _fG o (CO) = –134.20 – (–155.41) = 21.21 кДж . моль –1 .

= 6.09 10 –3 .

Пример 9-2. Константа равновесия реакции

равна K_P = 1.64 10 –4 при 400 o C. Какое общее давление необходимо приложить к эквимолярной смеси N₂ и H₂, чтобы 10% N₂ превратилось в NH₃? Газы считать идеальными.

Решение. Пусть прореагировало моль N₂. Тогда

0

N2(г)	+	3H2(г)	=	2NH3(г)
Исходное количество	1	1
Равновесное количество	1–	1–3	2 (Всего: 2–2 )
Равновесная мольная доля:

Следовательно, K_X = и K_P = K_{X .} P –2 = .

Подставляя = 0.1 в полученную формулу, имеем

1.64 10 –4 =, откуда P = 51.2 атм.

Пример 9-3. Константа равновесия реакции

при 500 K равна K_P = 6.09 10 –3 . Реакционная смесь, состоящая из 1 моль CO, 2 моль H₂ и 1 моль инертного газа (N₂) нагрета до 500 K и общего давления 100 атм. Рассчитать состав равновесной смеси.

Решение. Пусть прореагировало моль CO. Тогда

CO(г)	+	2H2(г)	=	CH3OH(г)
Исходное количество:	1	2	0
Равновесное количество:	1–	2–2
Всего в равновесной смеси:	3–2 моль компонентов + 1 моль N2 = 4–2 моль
Равновесная мольная доля

Следовательно, K_X = и K_P = K_{X .} P –2 = .

Таким образом, 6.09 10 –3 = .

Решая это уравнение, получаем = 0.732. Соответственно, мольные доли веществ в равновесной смеси равны: = 0.288, = 0.106, = 0.212 и = 0.394.

Пример 9-4. Для реакции

при 298 К K_P = 6.0 10 5 , а _fH o (NH₃) = –46.1 кДж . моль –1 . Оценить значение константы равновесия при 500 К.

Решение. Стандартная мольная энтальпия реакции равна

_rH o = 2 _fH o (NH₃) = –92.2 кДж . моль –1 .

Согласно уравнению (9.14), =

= ln (6.0 10 5 ) + = –1.73, откуда K₂ = 0.18.

Отметим, что константа равновесия экзотермической реакции уменьшается с ростом температуры, что соответствует принципу Ле Шателье.

ЗАДАЧИ

Указание: во всех задачах считать газы идеальными.

При 1273 К и общем давлении 30 атм в равновесной смеси

содержится 17% (по объему) CO₂. Сколько процентов CO₂ будет содержаться в газе при общем давлении 20 атм? При каком давлении в газе будет содержаться 25% CO₂?

При 2000 o C и общем давлении 1 атм 2% воды диссоциировано на водород и кислород. Рассчитать константу равновесия реакции

Константа равновесия реакции

при 500 o C равна K_p = 5.5. Смесь, состоящая из 1 моль CO и 5 моль H₂O, нагрели до этой температуры. Рассчитать мольную долю H₂O в равновесной смеси.

Константа равновесия реакции

при 25 o C равна K_p = 0.143. Рассчитать давление, которое установится в сосуде объемом 1 л, в который поместили 1 г N₂O₄ при этой температуре.

Сосуд объемом 3 л, содержащий 1.79 10 –2 моль I₂, нагрели до 973 K. Давление в сосуде при равновесии оказалось равно 0.49 атм. Считая газы идеальными, рассчитать константу равновесия при 973 K для реакции

при 250 o C _rG o = –2508 Дж . моль –1 . При каком общем давлении степень превращения PCl₅ в PCl₃ и Cl₂ при 250 o C составит 30%?

константа равновесия K_P = 1.83 10 –2 при 698.6 К. Сколько граммов HI образуется при нагревании до этой температуры 10 г I₂ и 0.2 г H₂ в трехлитровом сосуде? Чему равны парциальные давления H₂, I₂ и HI?

Сосуд объемом 1 л, содержащий 0.341 моль PCl₅ и 0.233 моль N₂, нагрели до 250 o C. Общее давление в сосуде при равновесии оказалось равно 29.33 атм. Считая все газы идеальными, рассчитать константу равновесия при 250 o C для протекающей в сосуде реакции

Константа равновесия реакции

при 500 K равна K_P = 6.09 10 –3 . Рассчитать общее давление, необходимое для получения метанола с 90% выходом, если CO и H₂ взяты в соотношении 1: 2.

ln K = –1.04 –1088 /T +1.51 10 5 /T 2 .

Рассчитать _rG o , _rH o и _rS o реакции при 400 К.

Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору