Выхода продукта реакции

Методы расчета состава равновесной реакционной смеси и

Химические реакции идут в сторону установления динамического равновесия, при котором в системе присутствуют и исходные вещества и продукты реакции, но отсутствует тенденция к изменению достигнутого состояния. Для некоторых реакций концентрации продуктов в равновесной смеси настолько превышают концентрации непрореагировавших исходных веществ, что с практической точки зрения реакция «завершается». Однако в большинстве случаев равновесная смесь содержит сопоставимые количества реагентов и продуктов реакции, поэтому одной из важнейших прикладных задач является расчет состава равновесной реакционной смеси и равновесного выхода продукта.

Пример 1. Расчет состава равновесной смеси для гомогенной реакции, протекающей в газовой фазе.

Пусть требуется найти состав равновесной смеси для реакции:

H₂ + I₂ = 2 HI,

в которой сумма стехиометрических коэффициентов в правой и левой частях уравнения одинакова (в данном случае равна ∆n = 2). Для реакций такого типа K_P=K_x=K_c. Допустим, что число молей каждого из исходных веществ на момент начала реакции, равно его стехиометрическому множителю в уравнении реакции. Обозначим за х – число молей продукта HI, образовавшихся к моменту установления равновесия.

Если в начальный момент времени в системе присутствовали только реагенты, то:

Число молей веществ	H₂	+	I₂	=	2 HI
в исходном состоянии:					-
прореагировало или образовалось:	-x		-x		2x
в равновесной смеси:	1 - х		1 - х		2x
суммарное число моль:	(1 – х) + (1 – х) + 2х = 2
Выразим равновесное парциальное давление каждого компонента в соответствии с законом Дальтона

Константа равновесия этой реакции в соответствии с составленным равновесием будет выражена уравнением:

Решая полученное квадратное уравнение при заданных Р и К_Р, определяем физически корректное значение x, а, значит, и равновесный состав смеси. Очевидно, что в рассматриваемом случае выход продукта не зависит от давления.

Пример 2. Расчет состава равновесной смеси для гомогенной реакции, протекающей в газовой фазе с изменением числа молей реагентов.

Рассмотрим реакцию:

N₂ + 2CH₄ = 2HCN + 3H₂,

для которой сумма стехиометрических коэффициентов в правой и левой частях уравнения различна (в данном случае ∆n = 5 – 3 = 2). Если в начальный момент времени в системе присутствовали только реагенты, то:

Число молей:	N₂	+	2CH₄	=	2HCN	+	3H₂
в исходном состоянии:					-		-
прореагировало (образовалось):	- х		- 2х		2х		3х
в равновесной смеси:	1 - x		2 - 2x		2х		3х
суммарное число моль:	1 – x + 2 - 2x + 2x + 3x = 3 + 2x
Выразим равновесное парциальное давление каждого компонента в соответствии с законом Дальтона

Константа равновесия этой реакции в соответствии с составленным равновесием будет выражена уравнением:

Решая полученное уравнение при заданных давлении и константе равновесия, находим значение x и равновесный состав смеси. При данной температуре константа равновесия есть величина постоянная, поэтому в рассматриваемом случае выход продукта зависит от общего давления P. Чем больше будет P, тем меньше значение x (тем меньше выход продукта). Полученный результат согласуется с правилом Ле Шателье - Брауна: возрастание давления должно приводить к смещению равновесия в сторону веществ, занимающих меньший объем.

Пример 3. Расчет состава равновесной смеси для гетерогенной реакции.

Химические реакции, в которых вещества находятся в разных фазах, называют гетерогенными реакциями. В тех случаях, когда конденсированная фаза является раствором, константа равновесия выражается через мольные доли (идеальный раствор) или через активности (реальный раствор). Газообразные реагенты будут представлены в константе равновесия парциальными давлениями (идеальные газы) или летучестями (реальные системы).

Если твердые вещества, участвующие в реакции, не образуют растворов, их концентрации (активности) равны 1 и не входят в выражение для константы равновесия. Таким образом, в константу равновесия гетерогенной реакции входят только парциальные давления газообразных участников реакции.

Рассмотрим реакцию:

C₍_тв₎ + CO₂ = 2CO.

Условимся, что в реакцию вступают а молей углекислого газа, а продукт в исходной реакционной смеси отсутствует.

Число молей веществ	C₍_тв₎	+	CO₂	=	2CO
в исходном состоянии:	-		а		-
прореагировало или образовалось:	-		- x		2x
в равновесной смеси:	-		а - х		2x
суммарное число моль:	а – х + 2х = а + х
Выразим равновесное парциальное давление каждого компонента в соответствии с законом Дальтона	-