Химическая кинетика. Задача

Question

Вычислить константу равновесия обратимого процесса, протекающего по уравнению 2Н2+О2=2Н2О, а также исходные концентрации Н2 и О2, если в состоянии равновесия [Н2] = 0, 03 моль/л; [О2] = 0, 012 моль/л; [Н2О] = 0, 05 моль/л.

Объясните решение задачи (особенно нахождение исходных концентраций)

Answer 1

Константа равновесия (K) вычисляется как отношение произведения концентраций продуктов к произведению концентраций реагентов. Для уравнения 2H2 + O2 = 2H2O K = [H2O]^2 / ([H2]^2 * [O2]) .

Подставляем значения при состоянии равновесия: K = (0. 05) ^2 / (0. 03) ^2 * 0. 012 = 6. 944.

Исходные концентрации можно найти, используя уравнение для данного процесса и известное значение K. Поскольку в конечном состоянии концентрации не равны исходным, произошло движение к установлению равновесия. Это означает, что в начальный момент концентрации реагентов были выше, чем концентрации продуктов.

С учётом этого знания и константы равновесия K можно определить, что исходные концентрации H2 и O2 были больше их концентраций в состоянии равновесия, в то время как концентрация H2O была меньше её значения в равновесном состоянии.

Таким образом, исходные концентрации H2 и O2 могут быть найдены как корни квадратного уравнения, аналогичного уравнению для K, но с неизвестными концентрациями и со знанием K и конечных концентраций.

Это позволит определить, какие были исходные концентрации реагентов до достижения равновесия в данной химической реакции.

Answer 2

2Н2 + О2 = 2Н2О

K = [Н2О]^2/ ([Н2]^2*[О2])
K = (0, 05) ^2/ (0, 03) ^2* (0, 012)
K = 231, 48.

Для вычисления исходных концентраций используем алгоритм было-ушло/пришло-стало. В строчку было записываем информацию о том, сколько веществ (по количеству или же по концентрации) было изначально; если об этом ничего не известно (а в нашем случае об этом как раз ничего неизвестно, т. к. исходные концентрации как раз и следует найти) всё равно записываем, обозначая эти количества (концентрации) как неизвестные; т. е строчка было запишется у нас как (a, b, 0) . В строчке три позиции, т. к. у нас три вещества: водород, кислород и вода. Во вторую строчку записываем, сколько и каких веществ ушло/пришло (с учетом стехиометрии реакции, т. е коэффициентов) . Этого, кстати, мы тоже не знаем, ибо процесс обратимый, т. е не идет до конца. Ну и что, вводим еще одну неизвестную (на этот раз пусть это будет х) . Тогда вторая строчка запишется как (–2х, –х, 2х) . Здесь множители перед х – это коэффициенты, знак – ставим, если вещество ушло, а + если пришло. И наконец третья строчка стало – это строчка, в которую записываются количества веществ, которые получились по достижении равновесия. Их мы как раз знаем, и третья строчка будет выглядеть как (0, 03, 0, 012, 0, 05) . Итак, получаем три строчки: (a, b, 0) , (–2х, –х, 2х) , (0, 03, 0, 012, 0, 05) . Осталось подвести материальный баланс. Математически это заключается в том, что сложение первой и второй строчек (почленно) дают третью. Отсюда получаем систему уравнений:

a – 2х = 0, 03, b – х = 0, 012, 0 + 2x = 0, 05.

Вот и всё. Теперь, исходя из этой системы, можно найти всё, что нам нужно. Находим: х = 0, 025, b = 0, 037, a = 0, 08 моль/л. Значит, исходные концентрации водорода и кислорода составляют 0, 08 и 0, 037 моль/л.