Константа химического равновесия

При равновесии химической реакции:

dD + bB ⇄ lL + mM,

[ L ], [ M ], [ D ], [ B ] − концентрации веществ выражаются, а l, m, d и b − показатели степени, равные стехиометрическим коэффициентам.

Константа равновесия – это отношение константы скорости прямой реакции к константе скорости обратной реакции и рассчитывается по формуле:

(2.30)

Например, для реакции синтеза аммиака:

N₂ + 3Н₂ ⇄ 2NН₃

константа химического равновесия равна

К_р = [NН₃]² / [N₂][Н₂]³.

Константа равновесия характеризует глубину протекания процесса. Если К_р > 1, то выход продуктов большой, если К_р < 1, то выход продуктов мал. Константа равновесия зависит от температуры и не зависит от концентрации веществ и катализаторов. Катализатор не влияет на значение константы равновесия, поскольку он одинаково снижает энергию активации прямой и обратной реакции и поэтому одинаково изменяет их скорости. Катализатор лишь ускоряет достижение химического равновесия, но не влияет на количественный выход продуктов реакции.

Пример 8. Для реакции синтеза аммиака N_2(г) + 3Н_2(г) ⇄ 2NH_3(г) равновесные концентрации (моль/ дм³) N₂, H₂ и NH₃ равны соответственно 3,00; 2,00 и 0,30. Найдите исходные концентрации N₂ и Н₂ и константу равновесия реакции.

Решение. Пусть объем системы равен 1 дм³ и в ходе реакции не изменяется. Обозначим равновесные концентрации как [H₂] и [N₂] и [NH₃], исходные − как с (H₂), с (N₂), концентрации и количество прореагировавшего вещества – с (H₂)_прор, с (N₂)_прор, n (N₂)_npop и n (H₂)_npop:

с (H₂) = [H₂] + с (H₂) _прор; с (N₂) = [N₂] + с (N_{2) прор}.

Находим количество прореагировавшего азота n (N₂)_npop и водорода n (H₂)_npop по количеству образовавшегося аммиака. Составляем пропор-ции согласно уравнениям реакций:

на образование 2 моль NH₃ → (расходуется) 1 моль N₂,

на образование 0,30 моль → х.

Отсюда х = 0,15 моль – количество прореагировавшего азота, n (N₂)_npop = 0,15 моль.

Находим концентрацию прореагировавшего N₂:

с (N₂) = n / V = 0,15 / 1 = 0,15 моль/дм³.

Аналогично определяем количество прореагировавшего водорода:

на образование 2 моль NH₃ →(расходуется) 3 моль Н₂,

на образование 0,30 моль NH₃ →(расходуется) у.

Отсюда у = 0,45 моль; n (H₂)_npop = 0,45 моль.

Находим концентрацию прореагировавшего Н₂:

с (Н₂) = n / V = 0,45 / 1 = 0,45 моль/ дм³.

Следовательно, исходные концентрации азота и водорода равны:

с (H₂) = [H₂] + с (H₂) _прор. = 3,00 + 0,15 = 3,15 моль/ дм³;

с (N₂) = [N₂] + с (N₂) _прор.= 2,0 + 0,45 = 2,45 моль/ дм³.

Находим константу равновесия, используя выражение (2.30):

К_р = [NН₃]²/[N₂] ∙ [Н₂]³; К_р = 0,30² / 3,00 ∙ 2,00³ = 3,75 ∙ 10^–3.

Ответ: с (H₂) = 3,15 моль; с (N₂) = 2,45 моль; К_р = 3,75 ∙ 10^–3.

Подставим константу равновесия в уравнение (2.30):

D _rG ⁰ = – RT ln К_р = –2,3 RT lg К_р. (2.31)

К_р = ехр (D _rG ⁰ / RT). (2.32)