I. Напишите выражение констант равновесия Кс и Кр реакции: 4NH3(г) + 3O2(г) Û 2N2(г) + 6H2O(г) II. Определите...

I. Константы равновесия Кс и Кр

Для реакции:

[ 4 \text{NH}_3(g) + 3 \text{O}_2(g) \rightleftharpoons 2 \text{N}_2(g) + 6 \text{H}_2O(g) ]

константа равновесия ( K_c ) (для концентраций) и ( K_p ) (для давлений) выражаются следующим образом:

Константа равновесия по концентрациям ( K_c ):

[ K_c = \frac{[\text{N}_2]^2 [\text{H}_2O]^6}{[\text{NH}_3]^4 [\text{O}_2]^3} ]

где квадратные скобки обозначают концентрацию химических веществ в моль/литр.

Константа равновесия по давлениям ( K_p ):

[ Kp = \frac{(P{\text{N}2})^2 (P{\text{H}2O})^6}{(P{\text{NH}3})^4 (P{\text{O}_2})^3} ]

где ( P ) обозначает парциальное давление газов.

II. Направление самопроизвольного протекания реакции и расчет ( K_r )

Чтобы определить направление самопроизвольного протекания реакции при температуре 30 °C, необходимо знать, является ли реакция экзотермической или эндотермической. В большинстве случаев, с точки зрения термодинамики, экзотермические реакции смещают равновесие в сторону продуктов при снижении температуры и наоборот.

Обычно для реакции синтеза аммиака можно сказать, что она экзотермическая. Поэтому, если температура увеличивается, равновесие будет смещаться влево (в сторону реагентов).

Для расчета значения константы равновесия ( K_r ) при 30 °C, необходимо знать термодинамические данные, такие как стандартные энтальпии образования и энтропии. Без конкретных значений эти расчеты не могут быть выполнены. Обычно ( K_r ) можно рассчитать с помощью уравнения ван 'т Гоффа, если известны значения ( \Delta H ) и ( \Delta S ):

[ \ln K_2 = \ln K_1 + \frac{\Delta H}{R} \left( \frac{1}{T_1} - \frac{1}{T_2} \right) ]

где ( R ) — универсальная газовая постоянная, ( T_1 ) и ( T_2 ) — температуры в Кельвинах.

III. Направление смещения равновесия

1. Увеличение температуры (T):

Для экзотермических реакций, как уже упоминалось, повышение температуры приведет к смещению равновесия в сторону реагентов. Это связано с принципом Ле Шателье, который утверждает, что система будет стремиться уменьшить эффект изменений условий.

2. Увеличение давления (P):

При увеличении давления равновесие смещается в сторону, где меньшее количество молей газа. В данной реакции:

• Сторона реагентов: ( 4 \text{NH}_3 + 3 \text{O}_2 ) = 7 молей газа
• Сторона продуктов: ( 2 \text{N}_2 + 6 \text{H}_2O ) = 8 молей газа

Таким образом, при увеличении давления равновесие будет смещаться в сторону реагентов, так как с этой стороны меньше молей газа (7

Давайте разберем каждый пункт последовательно и подробно.

I. Выражение для констант равновесия ( К_c ) и ( К_p ):

Дана реакция: [ 4NH_3(г) + 3O_2(г) \rightleftharpoons 2N_2(г) + 6H_2O(г) ]

1. Константа равновесия в концентрациях (( K_c )):

Выражение для ( K_c ) записывается через концентрации участников реакции в равновесии: [ K_c = \frac{[N_2]^2 \cdot [H_2O]^6}{[NH_3]^4 \cdot [O_2]^3} ] где квадратные скобки (([X])) обозначают равновесные концентрации веществ в моль/л.

1. Константа равновесия в парциальных давлениях (( K_p )):

Для газовых реакций константа равновесия через парциальные давления имеет вид: [ Kp = \frac{P{N2}^2 \cdot P{H2O}^6}{P{NH3}^4 \cdot P{O_2}^3} ] где ( P_X ) — парциальное давление соответствующего газа.

Связь между ( K_c ) и ( K_p ) описывается соотношением: [ K_p = K_c \cdot (RT)^{\Delta n} ] где:

• ( R ) — универсальная газовая постоянная (( R = 0.0821 \, \text{л·атм/(моль·К)} )),
• ( T ) — температура в Кельвинах,
• ( \Delta n ) — изменение числа молей газов в реакции.

Для данной реакции: [ \Delta n = (\text{моли продуктов}) - (\text{моли реагентов}) = (2 + 6) - (4 + 3) = 8 - 7 = 1 ] Таким образом: [ K_p = K_c \cdot RT ]

II. Направление протекания реакции при 30 °С (самопроизвольность):

Для определения самопроизвольности реакции при данной температуре необходимо рассчитать значение константы равновесия ( K_p ) или ( K_c ). Для этого используется связь между изменением энергии Гиббса (( \Delta G^\circ )) и ( K ): [ \Delta G^\circ = -RT \ln K ] где:

• ( \Delta G^\circ ) — стандартное изменение энергии Гиббса для реакции,
• ( R ) — универсальная газовая постоянная (( R = 8.314 \, \text{Дж/(моль·К)} )),
• ( T ) — температура в Кельвинах (( T = 30 + 273 = 303 \, \text{К} )).

1. Найдем ( \Delta G^\circ ): Для этого нужно знать стандартные изменения энергии Гиббса образования (( \Delta G_f^\circ )) для каждого вещества. Табличные данные (при 298 К):
   • ( \Delta G_f^\circ (NH_3) = -16.45 \, \text{кДж/моль} ),
   • ( \Delta G_f^\circ (O_2) = 0 \, \text{кДж/моль} ) (элемент в стандартном состоянии),
   • ( \Delta G_f^\circ (N_2) = 0 \, \text{кДж/моль} ) (элемент в стандартном состоянии),
   • ( \Delta G_f^\circ (H_2O) = -228.57 \, \text{кДж/моль} ).

Считаем ( \Delta G^\circ ) для реакции: [ \Delta G^\circ = \sum (\Delta G_f^\circ \, \text{продуктов}) - \sum (\Delta G_f^\circ \, \text{реагентов}) ] [ \Delta G^\circ = [2 \cdot 0 + 6 \cdot (-228.57)] - [4 \cdot (-16.45) + 3 \cdot 0] ] [ \Delta G^\circ = [0 - 1371.42] - [-65.8 + 0] = -1371.42 + 65.8 = -1305.62 \, \text{кДж}. ]

1. Рассчитаем ( K ) при данной температуре: [ \Delta G^\circ = -RT \ln K \quad \Rightarrow \quad \ln K = -\frac{\Delta G^\circ}{RT} ] [ K = e^{-\Delta G^\circ / RT} ] Подставим значения (( R = 8.314 \, \text{Дж/(моль·К)} ), ( T = 303 \, \text{К} ), ( \Delta G^\circ = -1305.62 \cdot 10^3 \, \text{Дж} )): [ \ln K = -\frac{-1305.62 \cdot 10^3}{8.314 \cdot 303} = \frac{1305620}{2519.142} \approx 518.5 ] [ K \approx e^{518.5} ] Значение ( K ) получается чрезвычайно большим, что указывает на практически полное смещение равновесия вправо (в сторону продуктов) при данной температуре. Таким образом, реакция самопроизвольна при 30 °С и идет преимущественно в прямом направлении.

III. Направление смещения равновесия при изменении температуры и давления:

1. Увеличение температуры (( T )):

Для определения влияния изменения температуры используем принцип Ле Шателье. Реакция экзотермическая, так как при реакции выделяется тепло (( \Delta H < 0 )). При увеличении температуры равновесие смещается в сторону эндотермического процесса, то есть в сторону реагентов (влево).

1. Увеличение давления (( P )):

При увеличении давления равновесие смещается в сторону уменьшения общего числа молей газа. В данной реакции: [ \Delta n = (\text{моли продуктов}) - (\text{моли реагентов}) = 8 - 7 = 1 ] Так как количество молекул продуктов больше, чем количество молекул реагентов, увеличение давления сместит равновесие влево (в сторону реагентов).

Выводы:

1. При 30 °С реакция идет самопроизвольно в прямом направлении (в сторону продуктов), так как константа равновесия очень велика.
2. При увеличении температуры равновесие смещается влево (в сторону реагентов).
3. При увеличении давления равновесие смещается влево (в сторону реагентов).