Робота № 4/4. Дослідження рівноваги хімічної реакції

Мета роботи. Дослідити рівновагу реакції за сталої температури (в інтервалі 350 - 500°С), експериментально визначити константу рівноваги реакції й порівняти її із значенням, розрахованим за допомогою термодинамічних методів.

Методика роботи. Константа рівноваги означеної реакції записується як

(1)

Якщо вихідна газова суміш містить а₁ молів СО і b₁ молів Н₂ та після встановлення рівноваги ступінь перетворення діоксиду вуглецю дорівнює α, то рівноважна газова суміш має такий склад:

діоксид вуглецю, СО₂ – а₁(1 - α), моль

водень, Н₂ – b₁ – а₁ • α, моль

водяна пара, H₂O – а₁ • α, моль

оксид вуглецю, СО – а₁ • α, моль.

Загальна кількість молів у ході реакції не змінюється і дорівнює а₁ + b₁. З цієї ж саме причини константи рівноваги К_Р, К_N і К_С дорівнюють одна одній, отже, будь-яку з них, зокрема і К_Р, можна виражати як через парціальні тиски, так і через мольні частки, або навіть через кількості молів реагентів, що містяться в певному об'ємі рівноважної газової суміші. Отже, замість рівняння (1) можна записати:

. (2)

Ступінь перетворення діоксиду вуглецю визначається шляхом аналізу вихідної й рівноважної газової суміші на вміст СО₂ розраховується за формулою:

, (3)

де а₁ і а₂ - вміст діоксиду вуглецю в рівних за об'ємом вихідній і рівноважній газових сумішах відповідно. Співвідношення кількостей водню і діоксиду вуглецю у вихідній суміші визначається співвідношенням швидкостей, з якими ці гази надходять у реактор

. (4)

Схему пристрою для вивчення рівноваги реакції наведено на рис.1.

Вуглекислий газ надходить з балона 1 через вентиль 2 і редуктор 3. Водень одержують електролітично в електролізері 27, що живиться від випрямляча 28. Швидкості кожного з газів стабілізують за допомогою маностатів 4 і 25, пропускають через осушуючі склянки 7 та 24, регулюють за допомогою кранів 9 і 17 і вимірюють реометрами 8 і 20. Вихідна суміш газів (Н₂ + СО₂) через триходовий кран 16 надходить у реактор 18, заповнений каталізатором (хромонікелевим).

Необхідна в реакторі температура забезпечується за допомогою електропечі і встановлюється шляхом підбору відповідної напруги трансформатором 19 та вимірюється термопарою, гарячий пай якої знаходиться в реакторі. Термопару приєднано до вимірювального приладу 21.

З реактора газова суміш виходить через вузький капіляр, що забезпечує швидке її охолодження і заморожування того складу, що був рівноважним за більш високої температури в реакторі. Далі через триходові крани 13 і 14 газ надходить на аналіз у поглинальні склянки 12, заповнені розчином Ва(ОН)₂. Вихідна газова суміш на аналіз подасться через триходові крани 14 і 16 поза реактором.