Гомогенное химическое равновесие
Контрольная работа
Вариант№1
1.                      Рассчитайте сродство (-ΔrGt) железа к кислороду воздуха, Po₂=2,0266*10⁴Па при 1000К, если константа равновесия реакции 2Fe+ O₂  2FeO при этой температуре равна 2,450*10²⁰ Па^-1 .
2.                      Константа равновесия реакции H₂+I₂  2HI при 717К равна 46,7. Определите кол-во разложившегося HI при нагревании 1моль HI при 717К.
3.                      Вычислите при температуре 298К константу равновесия реакции CO+0,5O₂=CO₂ по стандартной энергии Гиббса.
Критерии оценивания
Данная к/р оценивается в 45 баллов. №1-10 баллов, №2-15 баллов, №3-20 баллов.
Наиболее характерные ошибки:
- использование неправильных размерностей величин;
- ошибки при выводе ур-ния Кс реакции;
- неправильное решение квадратного ур-ния и использование его отрицательных корней (для нахождения кол-ва моль прореагировавшего в-ва);
- ошибки при счёте;
- использование неверных справочных значений(необходимо  использовать величины, выраженные в Дж/моль, Дж/моль*К или кДж/моль);
- следует учесть, что энтальпия реакции образования простых веществ равна 0;
- для расчета стандартной энергии Гиббса необходимо значение энтропии реакции перевести в кДж/моль;
- если реакция проводится в стандартных условиях, то необходимо использовать P^O=0,101Мпа=101,3кПа.
Решение задач
№1.
2Fe+ O₂  2FeO
ΔG=-RTlnKp+RTПі(P^νіі исх.)
ΔG=-8,314*1000ln(2,450*10²⁰)+8,314*1000ln(2,0266*10⁴)= -390324-82447=-472,77 кДж/моль.
Ответ. (-ΔrGt)=472,77 кДж/моль.
№2
2HI  H₂+I₂
                                                    исх.                1моль         0  0
                                Реак.       2х         х  х
                                Равн.            1-2х               х    х
Кс=
46,7x²=1-4x+4x²
42,7x²+4x-1=0
D=186,8
x₁=  (моль)
2x=0,227 (моль)
Ответ. Разложилось 0,227 моль HI.

№3



Все необходимые значения станд.  для CO₂ , O₂  и CO берутся из справочника физико-химических величин.

ΔV-приращение числа молей во время реакции.
  Для реакции  CO+0,5O₂=CO₂
ΔV=1-(1+0,5)= -0,5

Ответ.

Индивидуальное задание
Вариант№5
1. По значениям изобарных потенциалов в справочнике [M.] определите константу равновесия при температуре 298К для реакции:

2. При окислении SO₂ в SO₃ в газовой фазе установилось хим. равновесие:

Как будет влиять на это равновесие увеличение давления и добавление азота, не участвующего в реакции? Ответ дать на основании термодинамич. соотнош. И пользуясь принципом Ле-Шателье.
3. Если нагреть 0,746 кг йода и 0,0162 кг водорода в закрытом сосуде ёмкостью    1 м³ до 693К, то при достижении равновесия образуется 0,721 кг йодистого водорода. Сколько йодистого водорода получится, если к исходной смеси добавить 0,1 кг йода и 0,005 кг водорода?
4. Процесс получения водяного газа идёт по ур-нию . При 1000К конст. равновесия равна 1,45. Какой состав должна иметь исходная смесь, сост. из водяного пара и СО, чтобы при 1000К равновесная смесь содержала по объёму 25%СО₂ и 25%Н₂ ?
5. При Т=1396К и Р=1,0133*10⁵ н/м² степень диссоциации водяного пара на водород и кислород равна 0,567*10^-4 , а степень диссоциации двуокиси углерода на окись углерода и кислород при тех же условиях -1,551*10^-4. Определить на основании этих данных состав водяного газа, образующегося при указанной температуре из  равных объёмов окиси углерода и водяного пара.
6. При температуре 1500К и давлении 0,1013 МПа степень диссоциации водяного пара =1,9*10^-4. Выразить для реакции горения водорода  константу равновесия Кр через степень диссоциации водяного пара и вычислить Кр при 1500К.
7. Для реакции  определите Кр при 600К, если при 298К константа равновесия этой реакции равна 1,0*10⁵.
Справочник [M.] –краткий справочник физико-химических величин. под ред. К.П.Мищенко и А.А.Равдия, М.,Госхимиздат, 1967г.
Критерии оценивания
Данное индивидуальное задание оценивается в 110 баллов.
№1,2 -10 баллов;
№4,6 -15 баллов;
№3,5,7 -20 баллов;
Наиболее характерные ошибки:
- использование неверных справочных данных;
- ошибки при выводе ур-ния Кс и Кр для исследованной реакции;
- ошибки при вычислении равновесной концентрации вещества;
- использование неверных корней квадратного уравнения(полученное значение корней квадратного уравнения необходимо сопоставлять с условием задачи, чтобы не получить отрицательные значения концентраций);
- ошибки при счёте;
- при расчёте по уравнению реакции необходимо учитывать коэффициенты, стоящие перед веществом;
- необходимо все единицы измерения выражать в СИ (как например, парциальное давление газов в н/м²);
- нужно использовать значения температуры процесса в К для расчёта ;
- ошибки могут быть при неверной трактовке уравнения Менделеева-Клапейрона (следует учесть число моль-n);
-следует отличать равновесные и неравновесные процессы и учитывать правильность их написания;
- справочные данные должны соответствовать необходимому в-ву, которое указано в условии задачи;
- ошибки также возникают при переводе моль в кмоль, кал в Дж.
Решение задач
 №1
 В справочнике физико-химических величин [M.], находим значения :

Реакция	Знач. *10-6, Дж/кмоль
	-1577,46 -370,62 -3094,00

Используя уравнение:

Δn- изменение числа молей газообразного конечного и начального продуктов реакции.
Кр и парц. давления выражены в н/м².
и ур-ние  определим значение  реакции:


Ответ.lg Kp=55,87.
№2
В данной реакции ΔV=2-3=-1, поэтому выражение для Кх примет вид:

  Из уравнения видно, что с увеличением давления р увеличивается константа равновесия Кх, поскольку Кр не зависит от давления. Увеличение Кх произойдёт за счёт увеличения числителя и за счёт уменьшения знаменателя. При отсутствии инертной примеси азота равна сумме молей веществ в равновесной смеси, которая при смещении равновесия изменяется незначительно, поэтому числитель увеличивается в основном за счёт увеличения ; одновременно должны уменьшатся  и  в знаменателе. Отсюда делаем вывод, что с ростом давления р в равновесной системе кол-во SO₃  возрастает, равновесие сдвинется вправо, выход серного ангидрида увеличится. С увеличением кол-ва азота увеличивается сумма , что влечёт за собой уменьшение . Равновесие сдвинется влево, выход SO₃  уменьшится.
   Принципа смещения равновесия Ле Шателье приводит с к следующим качественным выводам. Т.к. реакция образования  SO₃  из SO₂  и O₂ идёт с уменьшением объёма, то при увеличении давления, т.е. при сжатии реагирующей смеси, процессом ослабляющим сжатие, будет процесс, приводящий к уменьшению числа молекул в реагирующей смеси. Таким образом, при увеличении давлении реакция сдвинется слева на право и выход SO₃ возрастёт.
  Увеличение содержания азота при постоянном общем давлении ведёт к разбавлению реагирующей смеси, что равноценно уменьшению давления при отсутствии азота, т.е. приведёт к сдвигу равновесия справа налево, выход то равноценно уменьшению давления при отсутствии азота,  ведёт к разбавлению реагирующей смесию числа молекул в реагирующей с SO₃ уменьшится.
№3
Реакция протекает по уравнению:
H₂+I₂  2HI
  Константа равновесия этой реакции может быть выражена уравнением:

  Для определения величины константы равновесия необходимо определить состав равновесной газовой смеси.
  H₂ и I₂   реагируют с образованием HI, то в равновесной смеси исходное кол-во будет меньше, чем в исходной.
   Исходная концентрация  H₂ и I₂ :

Конц. получ. HI в равновесной смеси:
 
Реакция протекает при постоянном давлении, тогда:
H₂+I₂  2HI
                                      1кмоль  1кмоль   2кмоль   
                                                 (2,82кмоль  2,82 кмоль 5,64 кмоль)*10^-3
След., в равновесной смеси останется:

Данные вещества находятся в V=1м³, поэтому
 
Используя полученные концентрации, определим константу равновесия:

 При добавлении к исх. смеси 0,100кг I₂  и 0,005 кг H₂ установ. равнов., но Кс не изменится. Обозначим новую равновесную конц.  [HI]=x, тогда равнов. конц. [I₂ ] и [H₂ ] будут равны:

Получим уравнение:

 Х₁ не имеет физ.смысла, т.к.конц.  H₂ и I₂    будут иметь отрицательные значения.След., . Т.к. V=1м³, тогда
       
Ответ.
№4
Напишем содержание компонентов в процентах в равновесной смеси:

Для рассматриваемой реакции
Подставим  содержание веществ (в молях) в выражение для константы равновесия:

откуда

т.к. в ходе реакции число молей в системе не меняется. Исключая из этих уравнений , получим уравнение:

Его решение даёт два действительных корня: . Это означает, что в исходной смеси СО(г) по объёму может быть 36,1 или 63,9% и, соответственно, Н₂О(г) 63,9 или 36,1%.
№5
Реакция образования водяного пара протекает по уравнению:

Константа равновесия равна:

Диссоциация двуокиси углерода:
2CO+O₂=2CO₂

Диссоциация водяного пара:

Равновесная концентрация кислорода в данных реакциях одинакова, тогда:

Выразим константу равновесия реакции диссоциации воды и двуокиси углерода через общее давление и степень диссоциации:

По условию начальные об. конц. воды и укиси углерода равны 50об.%, обозначим конц. образ. Н₂ и СО₂ в сост. равновесия x об.%, получим:
                                            
Состав водяного газа имеет вид:

Ответ. 15,95 об.%
№6
Напишем равновесные числа молей реагентов, выраженные через степень диссоциации  :

n₀ –начальное количество (число молей) водяного пара.
Константа равновесия этой реакции будет выражаться уравнением:

Выразим парциальные давления реагентов через общее давление Р, общее число молей  и степень диссоциации . Находим:

Парциальные давления реагентов вычисляются по уравнению :

Таким образом,
Т.к.  можно считать  и , поэтому

Для обратной реакции, т.е для реакции горения водорода при 1500К, получим:

    Ответ.
№7
Зависимость теплового эффекта от температуры опред. законом Кирхгоффа:

По справочнику [M] находим зависимость теплоёмкости веществ от температуры

Вещество	Зависимость теплоёмкости от температуры, Дж/кмоль*град
	44,14	9,04	-	-8,54
	29,10	-0,84	-	-
	27,63	5,02	-	-
	30,12	11,30	2,01	-

                                    
По уравнению находим Кр при 600К:

Ответ.

Тест
В вопросах 1-10 необходимо выбрать правильный ответ (он может быть только один).
1. При наступлении состояния химического равновесия протекают следующие процессы:
а) число молекул веществ, составляющих химическую систему увеличивается во времени при неизменных внешних условиях;
б) число молекул веществ, составляющих химическую систему остаётся постоянным во времени при неизменных внешних условиях;
в) число молекул веществ, составляющих химическую систему, уменьшается во времени при неизменных внешних условиях.
2. Для реакции:    протекающей в изобарно-изотермических условиях, общее выражение для изменения энергии Гиббса имеет вид:

3. Для состояния химического равновесия характерно:

4. Уравнение изотермы химической реакции имеет вид:

5. Для реакции:
  Константа равновесия, выраженная через парциальные давления газов, записывается так:

6. Какое из выражений соответствует уравнению изобары химической реакции:

7. Стандартная константа равновесия связана с константой равновесия Кр соотношением:


8. Для реакции в газовой фазе, протекающей без изменения числа молей (Δν=0) характерно:

9. Связь между Кр и Кс химической реакции выражается уравнением:

10. В общем виде Кх для реакции:  можно выразить так:

Правильные ответы:

№ вопроса	Ответ
1.	б)
2.	в)
3.	в)
4.	г)
5.	г)
6.	в)
7.	б)
8.	в)
9.	а)
10.	б)

Каждый правильный ответ на один вопрос оценивается в 1 балл. В результате, ответив на 10 вопросов, можно получить 10 баллов.
 
В вопросах 11-20 необходимо установить соответствие. (например 1б, 2а,3г)-верный ответ может быть только один.
11. Из уравнения изотермы химической реакции  видно, что  величина и знак энергии Гиббса реакции зависят от П_р’ и Кр ( при Р=const, T=const), как:
1.ΔG<0
2. ΔG=0
3. ΔG>0

12. Для данных реакций укажите соответствующие им константы равновесия Кс:    
  
13. Определите зависимость между значением энергии Гиббса реакции и характером  протекающего процесса:
1.ΔG<0                                                     а) реакция достигла состояния
2. ΔG=0                                                    равновесия;
3. ΔG>0                                                    б) процесс необратимый
                                                                    самопроизвольный;
                                                                    в) процесс необратимый
                                                                    несамопроизвольный
14. Определите изменение числа молей (Δν) для следующих реакций:
                                           
                                                   
                                                                        
15. Для реакции :  константа равновесия равна , то при увеличении давления будут наблюдаться следующие процессы:
1.Δν>0                                                              а) Кх уменьшается
2.Δν<0                                                              б) Кх не изменяется
3.Δν=0                                                              в) Кх увеличивается
16. Определите Кх для реакции в идеальной и реальной газовой смеси:                                                                                      
                                                           
а) идеальная газовая смесь
б) реальная газовая смесь
17. Из приведённых уравнений выберите то, которое является изотермой, изохорой, изобарой химической реакции:
1. уравнение изохоры                                          
химической реакции
2. уравнение изобары
химической реакции
3. уравнение изотермы
  химической реакции
18. Для данных уравнений реакции в смеси идеальных газов определите соотношение между значениями стандартной энергией Гиббса:

19. Укажите верное выражение для Кх, Кс и Кm при рассмотрении равновесия химической реакции в идеальном растворе:
                                                                         

 20. Установите, как будет влиять тепловой эффект реакции на константу и состояние равновесия химической реакции:

а) константа равновесия не изменится, и состояние равновесия останется неизменным;
б) равновесие сдвинется в сторону исходных веществ;
в) константа равновесия увеличится, и равновесие сдвинется вправо.
Правильные ответы

№ вопроса	ответ
11.	1б2в3а
12.	1б2в3а
13.	1б2а3в
14.	1в2а3б
15.	1а2в3б
16.	1б2а
17.	1б2в3а
18.	1б2а
19	1в2а3б
20.	1в2б3а

Каждый правильный ответ на 1 вопрос оценивается в 1 балл. Ответив на 10 вопросов можно получить 10 баллов. Если в ответе одна половина соответствия букв и цифр верна, а другая нет, то такой ответ не учитывается и оценивается в 0 баллов.
В вопросах 21-30 пропущено слово-ответ, его необходимо записать (ввести) в правильном числе и падеже.
21.