Применение константы равновесия

Знание константы равновесия может помочь решить следующие проблемы:

• • определить, какая реакция (прямая или обратная) будет протекать самопроизвольно в системе до достижения ею равновесия;
• • рассчитать равновесные и исходные концентрации реагентов и продуктов реакции.

Для решения первой задачи в выражение для константы равновесия надо подставить реальные концентрации веществ в данный момент времени в неравновесной смеси и рассчитать величину, обозначаемую П_г, — стехиометрическое соотношение реальных или текущих концентраций.

Но мере приближения системы к состоянию равновесия величина П₍. стремится к К_с и в момент достижения равновесия становится ей равной.

Если соотношение реальных концентраций (П₍.) меньше К_с, это означает, что числитель в уравнении (5.6) должен увеличиваться за счет уменьшения знаменателя, и самопроизвольно будет протекать прямая реакция.

Если же значение П_г больше К_с, это означает, что знаменатель в уравнении (5.6) должен увеличиваться за счет уменьшения числителя, и самопроизвольно будет протекать обратная реакция.

Таким образом, при простом сопоставлении величин П_г и К_с можно предсказать, в каком направлении осуществляется реакция при определенных условиях, а именно:

а) П_с меньше К₍. — протекает прямая реакция; б) П₍. больше К_с — протекает обратная реакция; в) П_г равно К_с — реакция находится в состоянии равновесия.

Для нахождения равновесных концентраций рассчитаем величину П₍. и сравним ее с известным значением К_с. Если П₍. < К_п следует записать выражение для К_с с учетом стехиометрии и того, что концентрации реагентов будут уменьшаться на какое-то число (пх), а продуктов — увеличиваться.

Решение уравнения относительно х позволит найти равновесные концентрации.

Если П_(; > К_с, следует записать выражение для константы равновесия К₍. с учетом того, что концентрации продуктов будут уменьшаться на некоторое число (пх), а концентрации реагентов — увеличиваться в соответствии со стехиометрическими коэффициентами в уравнении реакции. Решение уравнения относительно х позволит рассчитать равновесные концентрации.

Пример 5.1. Исходные концентрации СО, Н₂0, С0₂ и Н₂ в газовой смеси составляли 0,8,0,8,1,4 и 1,0 моль/л соответственно. Определите направление процесса и рассчитайте равновесные концентрации веществ при некоторой температуре, если К_с при этом равна единице.

Прежде всего необходимо определить направление, в котором будет протекать процесс. Для этого необходимо рассчитать П₍. — величину, получаемую при подстановке реальных концентраций участников реакции в выражение константы равновесия

В нашем случае n_t. ~ 2,2, т. е. Г1_г > К_с, поэтому для достижения химического равновесия часть продуктов реакции должна превратиться в исходные вещества. Если концентрация каждого из продуктов реакции при этом уменьшилась на х моль/л, то согласно стехиометрическим коэффициентам концентрации исходных веществ должны увеличиться на ту же величину. Тогда откуда х = 0,06.

Равновесные концентрации СО, П₂0, С0₂ и Н₂ будут равны 0,86, 0,86, 1,34 и 0,94 моль/л соответственно.