Химическое равновесие. Задачи на реакторы.

Химическое равновесие-состояние химической системы, когда скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции. Для системы, находящейся в состоянии равновесия, концентрация реагентов, температура и другие параметры системы постоянны.

При решении задач на реакторы удобно воспользоваться таблицей, в которую мы записываем реагенты, изменение концентрации веществ в ходе реакции и равновесные, исходные концентрации. То, что нужно найти, можно обозначить как “X” и “Y”. Исходная концентрация вещества, полученного в ходе реакции, равна нулю. В ходе реакции концентрации реагентов уменьшаются, а концентрации продуктов увеличиваются. Если в условии задачи сказано, что объем постоянен, то для реагента концентрация и его количество вещества равны.

Рассмотрим пример задачи на реакторы:

В реактор постоянного объёма ввели бутан и сильно нагрели. В реакторе установилось равновесие:

При этом исходная концентрация бутана составила 8 моль/л, а равновесная концентрация этилена — 6 моль/л.

Определите равновесные концентрации  и 

Составим таблицу:

В первой строке запишем реагенты, во второй — исходные концентрации веществ, в третьей — изменение концентраций веществ, в четвёртой — равновесные концентрации.

Реагенты
Исходные конц.
Изменение конц.
Равновесные конц.

В первую строку записываем реагенты с учетом коэффициентов, стоящих перед ними. Так, мы получаем 1 C₄H₁₀, 2 C₂H₄ и 1 H₂.

Реагенты	1C4H10	2C2H4	1H2
Исходные конц.
Изменение конц.
Равновесные конц.

Затем заполняем известные нам данные — исходную концентрацию бутана и равновесную концентрацию этилена, равные 8 моль/л и 6 моль/л соответственно. Обозначим за “X” равновесную концентрацию бутана, за “Y” равновесную концентрацию водорода и зафиксируем их в таблице. 

Реагенты	1C4H10	2C2H4	1H2
Исходные конц.	8 моль/л
Изменение конц.
Равновесные конц.	X	6 моль/л	Y

Далее переходим к заполнению третьей строки. Начинаем заполнение с того вещества, для которого даны и равновесная, и исходная концентрации; в нашем случае это этилен. Исходная концентрация этилена равна нулю, так как изначально он не присутствовал в реакционной системе,а его равновесная концентрация равна 6 моль/л, следовательно, концентрация этилена увеличилась на 6 моль/л. Записываем в третью строку под этиленом “+6” (“+” указывает на увеличение концентрации).

Реагенты	1C4H10	2C2H4	1H2
Исходные конц.	8 моль/л	0 моль/л	0 моль/л
Изменение конц.		+6
Равновесные конц.	X	6 моль/л	Y

Исходя из реакции мы видим, что на образование 2 моль этилена и 1 моль водорода расходуется 1 моль бутана. Отсюда следует, что на образование 6 моль этилена затратилось 3 моль бутана, а количество образовавшегося в результате реакции водорода в 2 раза меньше, чем количество образовавшегося этилена (3 моль), так как перед этиленом стоит коэффициент 2, а перед водородом 1. Запишем в третью строку под водородом +3, а под бутаном -3(из-за того, что бутан расходуется в ходе реакции, а водород образуется). 

Реагенты	1C4H10	2C2H4	1H2
Исходные конц.	8 моль/л	0 моль/л	0 моль/л
Изменение конц.	-3	+6	+3
Равновесные конц.	X	6 моль/л	Y

Как мы видим, исходная концентрация водорода равна нулю, а в ходе реакции она увеличилась на 3 моль/л, следовательно, равновесная концентрация водорода равна: 0+3=3 моль/л (равновесная концентрация равна сумме или разности между  исходной концентрацией и изменением концентрации в ходе реакции). Так как в ходе реакции концентрация бутана уменьшилась на 3 моль/л, а его исходная концентрация равна 8 моль/л, то 8-3=5 моль/л — равновесная концентрация бутана.

Рассмотрим следующую задачу:

В реактор постоянного объёма ввели азотный ангидрид и повысили температуру. В реакторе установилось равновесие:

При этом равновесные концентрации оксида азота(V) и оксида азота(IV) составили 0,02 моль/л и 0,16 моль/л соответственно.

Определите исходную концентрацию  и равновесную концентрацию 

Заполняем таблицу по тому же принципу, что и в прошлой задаче. 

Реагенты	2N2O5	4NO2	O2
Исходные конц.	X	0 моль/л	0 моль/л
Изменение конц.
Равновесные конц.	0,02 моль/л	0,16 моль/л	Y

Отличие этой задачи от прошлой заключается в том, что сейчас нам нужно найти исходную и равновесную концентрации веществ, а ход решения один и тот же. На образование 4 моль NO₂ и 1 моля O₂ было затрачено 2 моля N₂O₅, следовательно, на образование 0,16 моль NO₂ было израсходовано 0,08 моль N₂O₅, а количество вещества кислорода в 4 раза меньше, чем оксида азота (IV), и равно 0,04 моль.

Реагенты	2N2O5	4NO2	O2
Исходные конц.	X	0 моль/л	0 моль/л
Изменение конц.	-0,08 моль/л		+0,04 моль/л
Равновесные конц.	0,02 моль/л	0,16 моль/л	Y

Равновесная концентрация кислорода равна 0+0,04=0,04 моль/л. Исходная концентрация N₂O₅ больше его равновесной на то количество, которое было израсходовано в ходе реакции, т.е. исходная концентрация оксида азота (V) равна: 0,02+0,08=0,1 моль/л.

Еще один пример задачи на реакторы:

В реакторе постоянного объема смешали этилен и пары воды в мольном соотношении 1:2. Смесь нагрели и добавили катализатор. Через некоторое время установилось равновесие:

При этом исходная концентрация этилена составила 0,3 моль/л, а равновесная концентрация воды — 0,35 моль/л. Найдите исходную концентрацию  и равновесную концентрацию 

Составим таблицу, аналогичную таблицам из прошлых задач.

Реагенты	1C2H4	1H2O	1C2H5OH
Исходные конц.	0,3 моль/л	X	0 моль/л
Изменение конц.
Равновесные конц.		0,35 моль/л	Y

Так как объем системы постоянен, то количества веществ в системе пропорциональны их концентрациям. Согласно уравнению обратимой реакции на образование 1 моль этанола тратится 1 моль этилена и 1 моль воды. В условии сказано, что смесь этилена и воды была в мольном соотношении 1:2, значит, исходная концентрация воды в два раза больше концентрации этилена и равна 0,6 моль/л.

Реагенты	1C2H4	1H2O	1C2H5OH
Исходные конц.	0,3 моль/л	X=0,6 моль/л	0 моль/л
Изменение конц.		-0,25 моль/л	+0,25 моль/л
Равновесные конц.		0,35 моль/л	Y

В реакцию вступило 0,6-0,35=0,25 моль/л воды. Равновесная концентрация этанола равна концентрации вступившей воды в реакцию, т. е. 0,25 моль/л.