Staa rwnowagowa reakcji odwracalnych Przykadowe zadania z rozwizaniami

Stała równowagowa reakcji odwracalnych Ø Przykładowe zadania z rozwiązaniami Ø Uzupełnienie - stała równowagowa w układach heterogenicznych (stały i gazowy)

Zadanie 1 i rozwiązanie v. W reakcji H 2(g) + I 2(g) ↔ 2 HI(g) przy początkowym stężeniu wodoru 0, 7 mol/dm 3 i jodu 0, 5 mol/dm 3, ustalił się stan równowagi, w którym stężenie HI wyniosło 0, 9 mol/dm 3. v. Oblicz stężenia równowagowe wodoru i jodu w stanie równowagi, oblicz stałą równowagową reakcji. v Analiza i założenia do zadania Ø H 2 + I 2 ↔ 2 HI ü 1 mol + 1 mol 2 mol Ø obl. liczby moli substratów, które przeszyły w produkty: ü 1 mol H 2 ------ 2, 0 mol HI ü 1 mol I 2 ------ 2, 0 mol HI x ------ 0, 9 mol HI y ------ 0, 9 mol HI -------------------------------x = 0, 45 mol H 2 y = 0, 45 mol I 2

Zadanie 1 i rozwiązanie / cd Ø obliczenie stężeń równowagowych wodoru i jodu: Stężenia H 2 I 2 HI reagentów [mol/dm 3] początkowe 0, 7 0, 5 0, 0 równowag. 0, 7 – x = 0, 5 – y = 0, 9 0, 7 – 0, 45 = 0, 25 0, 5 – 0, 45 = 00, 5 przeszły 0, 45 0, 0 w produkty Ø Obliczenie stałej równowagowej reakcji:

Zadanie 2 i rozwiązanie v. W reakcji 3 H 2(g) + N 2(g) ↔ 2 NH 3(g) stężenia równowagowe wynosiły: stężeniu wodoru 4, 0 mol/dm 3; azotu 1, 5 mol/dm 3, amoniaku wyniosło 5, 0 mol/dm 3. v. Oblicz stężenia wyjściowe wodoru i azotu i oblicz stałą równowagową reakcji. v Analiza i założenia do zadania Ø 3 H 2 + N 2 ↔ 2 NH 3 ü 3 mol + 1 mol 2 mol Ø obl. liczby moli substratów, które przeszyły w produkty: ü 3 mol H 2 ------ 2, 0 mol NH 3 ü 1 mol N 2 ----- 2, 0 mol NH 3 x ------ 5, 0 mol NH 3 y ------ 5, 0 mol NH 3 -------------------------------x = 7, 5 mol H 2 y = 2, 5 mol N 2

Zadanie 2 i rozwiązanie / cd Ø obliczenie stężeń równowagowych wodoru i jodu: Stężenia H 2 NH 3 reagentów [mol/dm 3] początkowe/ 4, 0 + x = 1, 5 + y = 0, 0 wyjściowe 4 + 7, 5 = 11, 5 = 1, 5 + 2, 5 = 4 równowag. 4 1, 5 5, 0 przeszły 7, 5 2, 5 0, 0 w produkty Ø obliczenie stałej równowagowej reakcji:

Zadanie 3 i rozwiązanie v. Stała równowagowa reakcji: CO 2(g) + H 2(g) ↔ CO(g) + H 2 O(g) w temperaturze 1100 K wynosi Kc = 1. v. Obliczbę moli CO w zamkniętym zbiorniku jeżeli po zmieszaniu 1 mola wodoru z 1 molem tlenku węgla(IV) ustaliła się równowaga. v Analiza i założenia do zadania: Ø CO 2(g) + H 2(g) ↔ CO(g) + H 2 O(g) ü 1 mol + 1 mol Ø ilości moli reagentów w stanie równowagi: [CO 2] = 1 mol – x; [H 2] = 1 mol – x; [CO] = x; [H 2 O] = x. Ø wyrażenie na stałą równowagową reakcji:

Zadanie 3 i rozwiązanie Ø obliczenie liczby moli CO w reaktorze po ustaleniu się równowagi: ü wyrażenie na stałą równowagową reakcji: ü x 2 + 1 mol 2 – 2 x mol = x 2 - 2 x mol = - 1 mol 2 x = 0, 5 mol CO

Zadanie 4 i rozwiązanie v. W pewnej temperaturze z 2 moli amoniaku ulega rozkładowi połowa substratu. v. Oblicz stałą równowagi rozkładu amoniaku w temperaturze doświadczenia, jeżeli objętość naczynia reakcyjnego wynosi 10 dm 3. v Analiza i założenia do zadania: Ø 2 NH 3(g) ↔ N 2(g) + 3 H 2(g) ü 2 mol 1 mol + 3 mol Ø ilości moli reagentów w stanie równowagi: ü n. NH 3 = ½ ∙ 2 mol = 1 mol; n. N 2 = ½ ∙ 1 mol = 0, 5 mol; n. H 2 = 3 ∙ n. N 2= 3 ∙ 0, 5 mol = 1, 5 mol Ø łączna liczba moli gazów w objętości 10 dm 3: ü nc = n. NH 3 + n. N 2 +n. H 2 = 1 mol + 0, 5 mol + 1, 5 mol = 3 mol

Zadanie 4 i rozwiązanie / cd Ø obliczenie stężeń molowych reagentów reakcji w stanie równowagi: Ø obliczenie stałej równowagowej reakcji:

Zadanie 5 i rozwiązanie v Zmieszano 3 mole pewnego fluorowca (X) z 6 molami wodoru. Po ustaleniu się stanu równowagi stwierdzono 4 mole fluorowcowodoru obok nieprzereagowanych substratów reakcji. v Oblicz stałą równowagową reakcji. v Analiza i założenia do zadania: Ø można przyjąć, że objętość naczynia reakcyjnego wynosi 1 dm 3, co jest równoznaczne z ich stężeniem molowym, Ø X 2(g) + H 2(g) ↔ 2 HX(g) ü 1 mol + 1 mol 2 mol ü 1 mol X 2 ----- 2 mole HX 1 mol H 2 ---- 2 mol HX x ----- 4 mole HX y ---- 2 mol HX ---------------------------------x = 2 mol X 2 y = 2 mol H 2

Zadanie 5 i rozwiązanie Ø obliczenie stężeń reagentów w stanie równowagi: Stężenia X 2 HX reagentów [mol/dm 3] początkowe/ 3 6 0, 0 wyjściowe równowag. 3–x=3– 2=1 6–y=6– 2=4 4, 0 przeszły 2, 0 0, 0 w produkty Ø obliczenie stałej równowagowej reakcji: ü stała bezwymiarowa

Zadanie 6 i rozwiązanie v 4, 6 g mieszaniny równowagowej: 2 NO 2(g) ↔ N 2 O 4(g) zajmuje objętość 1, 34 dm 3. v Oblicz stałą równowagową reakcji. v Analiza i założenia do zadania: Ø masy mole reagentów: MNO 2 = 46 g/mol; MN 2 O 4 = 92 g/mol, Ø obliczenie liczby moli gazowych reagentów: ü 1 mol ------ 22, 40 dm 3 x ------- 1, 34 dm 3 --------------0, 06 mol Ø obliczenie liczby moli reagentów: x = n. NO 2; n. N 2 O 4 = 0, 06 mol - x ü 4, 6 g = MN 2 O 4 ∙ (0, 06 mol – x) + MNO 2 ∙ x = = 92 g/mol ∙ (0, 06 mol – x) + 46 g/mol ∙ x ü x = n. NO 2 = 0, 02 mol; ü n. N 2 O 4 = 0, 06 mol – x = 0, 06 mol – 0, 02 mol = 0, 04 mol.

Zadanie 6 i rozwiązanie Ø obliczenie stężeń molowych reagentów w stanie równowagi przy objętości mieszaniny poreakcyjnej 1, 34 dm 3: Ø obliczenie stałej równowagowej reakcji:

Zadanie 7 i rozwiązanie v Zmieszano 3 mole octanu etylu z 5 molami wody i 1 molem kwasu etanowego. Stała równowagowa estru wynosi 0, 25. v Oblicz stałą równowagową reakcji. v Analiza i założenia do zadania: Ø hydroliza estru: ü CH 3–COO-C 2 H 5(c) + H 2 O(c) ↔ CH 3 -COOH(c) + C 2 H 5 -OH(c) ü 1 mol + 1 mol ↔ 1 mol + 1 mol Ø liczba moli /stężenia molowe reagentów w stanie równowagi: ü n. CH 3 COOC 2 H 5 = 3 mol – x, ü n. CH 3 COOH = 1 mol + x, ü n. H 2 O = 5 mol – x, ü n. C 2 H 5 OH = x.

Zadanie 7 i rozwiązanie Ø obliczenie liczby moli powstałego etanolu w reakcji: ü 0, 25 ∙ x 2 – 2 ∙ x + 3, 75 = x 2 + x ; - 0, 75 x 2 – 3 x + 3, 75 = 0 ü wartość nie może być ujemna, pierwiastek należy odrzucić,

Zadanie 8 i rozwiązanie v. Stała równowagowa reakcji: CO(g) + H 2 O(g) ↔ CO 2(g) + H 2(g) w temp. 1100 K jest równa 1. 1 dm 3 mieszaniny wyjściowej, w której znajdowało się 3 mole CO i 6 moli wody ogrzano w zamkniętym naczyniu do w/w temp. v. Obliczbę moli reagentów w stanie równowagi. v Analiza i założenia do zdania: Ø liczba moli przy objętości 1 dm 3 jest równoznaczna z stężeniem molowym reagentów: liczba moli CO(g) H 2 O(g) CO 2(g) H 2(g) [mol] wyjściowe 3 6 0, 0 równowagowe 3 -x 6 -x x x

Zadanie 8 i rozwiązanie / cd Ø obliczenie liczby moli reagentów w stanie równowagi: ü ü ü x 2 = x 2 + 18 mol 2 – 9 mol ∙ x - 9 mol ∙ x = - 18 mol 2 x = 2 mol n. CO = 3 mol – x = 3 mol – 2 mol = 1 mol n. H 2 O = 6 mol – x = 6 mol – 2 mol = 4 mol n. CO 2 = n. H 2 = x = 2 mol

Zadanie 9 i rozwiązanie v. Po zmieszaniu 3 g propanolu z 2, 4 g kwasu etanowego i ustaleniu się równowagi powstało 2, 04 g octanu propylu. v. Oblicz, ile gramów octanu propylu powstanie po ustaleniu się równowagi, jeżeli zmiesza się w tych samych warunkach 180 g propanolu i 120 g kwasu etanowego. v. Analiza i założenia do zadania: Ø CH 3 -COOH + HO-CH 2 -CH 3 ↔ CH 3 -COO-CH 2 -CH 3 + H 2 O ü 1 mol + 1 mol ↔ 1 mol + 1 mol Ø obliczenie liczby moli substratów w pierwszym przypadku: ü MCH 3 COOH = 60 g/ mol; MC 3 H 7 OH = 60 g/mol

Zadanie 9 i rozwiązanie / cd Ø obliczenie liczby moli produktów w pierwszym przypadku: ü MCH 3 COOC 3 H 7 = 102 g/ mol; MH 2 O = 18 g/mol, ü liczba moli wody jest równa liczbie moli estru Ø stężenia molowe / liczba moli reagentów w stanie równowagi w pierwszym przypadku: ü n. CH 3 COOH = 0, 04 mol – 0, 02 mol = 0, 02 mol, ü n. C 3 H 7 OH = 0, 05 mol – 0, 02 mol = 0, 03 mol, ü n. CH 3 COOC 3 H 7 = 0, 02 mol, ü n. H 2 O = 0, 02 mol,

Zadanie 9 i rozwiązanie / cd Ø obliczenie stałej równowagowej reakcji: Ø wyjściowe stężenia molowe / liczba moli w reagentów w drugim przypadku:

Zadanie 9 i rozwiązanie / cd Ø stężenia molowe / liczba moli reagentów w stanie równowagi w drugim przypadku: ü n. CH 3 COOH = 2 mol – x ü n. CH 3 COOC 3 H 7 = x ü n. C 3 H 7 OH = 3 mol – x ü n. H 2 O = x Ø obliczenie liczby moli propanolu ü x 2 = 0, 67 ∙ x 2 – 3, 35 ∙ x + 4, 02 ü - 0, 33 x 2 – 3, 35 x + 4 = 0

Zadanie 9 i rozwiązanie / cd ü pierwiastek drugi należy odrzucić ze względu na ujemną wartość, Ø obliczenie masy octanu propylu: ü m. CH 3 COOC 3 H 7 = n. CH 3 COOC 3 H 7 ∙ MCH 3 COOC 3 H 7 = =1, 076 mol ∙ 102 g/mol = 109, 75 g

Zadanie 10 i rozwiązanie v. Stała równowagi reakcji: A(g) + B(g) ↔ 2 C(g) wynosi 0, 25. W stanie równowagi ciśnienie cząstkowe / parcjalne produktu C jest równe 10 k. Pa. v. Oblicz wartości ciśnień cząstkowych / parcjalnych substratów A i B w stanie równowagi, jeżeli mieszanina wyjściowa zawierała substraty wyłącznie w ilościach stechiometrycznych. v. Analiza i założenia do zadania: Ø ciśnienia cząstkowe / parcjalne reagentów w stanie równowagi: ü PC = 10 k. Pa, ü PA = PB = x, ü KP – gazowa stała równowagowa.

Zadanie 10 i rozwiązanie / cd Ø obliczenie ciśnień cząstkowych / parcjalnych substratów A i B w stanie równowagi: ü 0, 25 ∙ x 2 = 100 (k. Pa)2 ü x 2 = 400 (k. Pa)2

Uzupełnienie v W układach heterogenicznych substraty o stałym stopniu skupienia nie mają wpływu na stałą równowagową reakcji, dla poniższych przykładów wyrażenia na stałą równowagową przyjmą postać: Ø Ca. CO 3(s) ↔ Ca. O(s) + CO 2(g) Ø Fe 2 O 3(s) + 3 CO(g) ↔ 2 Fe(s) + 3 CO 2(g) Ø 3 Fe(s) + 4 H 2 O(g) ↔ Fe 3 O 4(s) + 4 H 2(g)