Природа и характер химического равновесия. Изотерма и изобара химической реакции. Принцип подвижного равновесия, страница 3

Аналогично, рассматривая процесс при постоянных объеме и температуре можно вывести уравнение изохоры химической реакции, которое имеет вид:

                                           (4.21)

Дифференциальная форма изобары для практической работы неудобна. Поэтому ее обычно  представляют  в интегральной форме. Для этого разделим переменные и проинтегрируем уравнение (4.20):

                                         (4.22)

Чтобы проинтегрировать это уравнение надо знать зависимость теплового эффекта от температуры. При небольшом изменении температуры можно принять, что DH постоянна. Тогда результатом интегрирования будет:

                                        (4.23 а)

С учетом того, что DGo = - RTln Кр,, а также DGo = DHo - TDSo имеем

                                      (4.23 б)

Рассматривая влияние температуры, следует помнить, что речь по-прежнему идет об изотермических реакциях. Иначе говоря, температура процесса может быть разная, но в конкретном случае процесс проходит при постоянной температуре.

Из уравнений (4.23) видно, что в том случае, когда тепловой эффект реакции не зависит от температуры, график зависимости lnKpот 1/Т представляет собой прямую, с отрицательным градиентом (наклон прямой направлен слева направо; см. рис.4.1).

Рис. 4.1. Зависимость lnKpот 1/T.

Из рисунка видно, что тангенс угла наклона прямой равен - DH/R, а точка пересечения с осью координат дает величину В равную DS/R.

Принцип подвижного равновесия (принцип Ле - Шателье.)

Следует отметить, что уравнения изобары, а также изохоры являются частными количественными аналогами общего физико-химического правила называемого принцип подвижного равновесия (принцип Ле - Шателье.). Принцип формулируется следующим образом.

Если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий, определяющее состояние равновесия, то в системе усилится то из направлений процесса, протекание  которого уменьшает  эффект произведенного воздействия.

В общем случае  принцип подвижного равновесия  связан с оценкой величины работы процесса. Если dW=0 (или dН=0 при р= const),  то процесс равновесный, в противном случае идет неравновесный процесс.

Характер неравновесного процесса можно раскрыть при анализе изобары.  Действительно, уравнение (4.23) показывает, что градиент логарифма константы равновесия по температуре dlnKp/dtотрицательный для экзотермических реакций, но положительный для эндотермических реакций. Отрицательный градиент означает, что константа равновесия с увеличением температуры уменьшается. Это обстоятельство, в частности, объясняет, почему равновесие смещается в случае эндотермической реакции в  сторону образования продуктов, а в случае экзотермической реакции в сторону образования реагентов.

ТИПОВОЙ ПРИМЕР

Известно, что константа равновесия реакции синтеза метилового спирта СО + 2 Н2 ↔ СН3ОН (г)  при 298 К равна 4,13∙10-10 Па2,  а тепловой эффект при 800 К  равен DН(800 К) = -103,7 кДж.  Рассчитайте константу равновесия реакции при 800 К.  

Решение

Допустим, что в заданном диапазоне температур тепловой эффект не изменяется. В этом случае на основе уравнений изобары химической реакции, записанных для разных температур, можно получить

 


КОНТРОЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ И ВОПРОСЫ

Выберите правильный ответ и обоснуйте его.

В случае эндотермической реакции Ст + Н2О(пар) = СО (газ) + Н2(газ), если одновременно уменьшить общее давление и повысить температуру в реакторе равновесие сместится в сторону:

а) образования продуктов реакции;

б) образования исходных веществ.

в) для ответа приведенной информации недостаточно.

1.  Можно ли утверждать, что равновесное состояние, возникающее в реакционной системе,  отличается от равновесного состояния нереагирующих веществ?

2.  Почему химическое равновесие можно рассматривать как с позиций термодинамики, так и с позиций кинетики. Приведите кинетические и термодинамические условия химического равновесия.

3.  Константа равновесия реакции  H2+I2=2HI при 693 К равна 50. Будет ли происходить образование иодоводорода, если исходные концентрации H2=2 моль/л, I2-5 моль/л, HI-10 моль/л?

4.  Как константа равновесия зависит от температуры? (Приведите анализ уравнения изобары).

5.  Вычислите константу равновесия для реакции 3С2Н2(г)6Н6(г) протекающей пристандартных условиях, принимая, что газы идеальные.  

6.  При 30 oС степень диссоциации по реакции SO2Cl2= SO2 +Cl2 и общем давлении 5066,25 Па равна 0,2342. Вычислите К р (в СИ).

7.  Как константа равновесия зависит от температуры?