Химические
процессы, описываемые в задачах данного
типа отличаются своей незавершенностью. По
количеству реагента в таких задачах нельзя
сразу определить количество продукта, а по
количеству продукта нельзя сразу найти
количество реагента. Наиболее частая
причина незавершенности реакций - это их
обратимость. Идея предлагаемого метода
состоит в представлении исходных данных
для составления уравнения в виде таблицы,
которая оформляется под уравнением
химической реакции. Таблица включает две
графы - до и после реакции, в которые
проставляются соответствующие количества
реагентов количества реагентов и продуктов
реакции:
|
aA |
+ bB |
= cC |
+ dD |
Всего: |
|
|
|
|
|
до
реакции |
|
|
|
|
|
после реакции |
Задача 5.1. В реактор при 4500С
ввели 1 моль азота и 5 моль водорода. Реакцию
проводили при постоянной температуре, а за
ходом реакции следили по манометру. Когда
давление, в сравнении с первоначальным,
снизилось на 20% , реактор охладили.
Определите выход аммиака.
Начнем
решение задачи с записи уравнения реакции:N2
+ 3H2 = 2NH3
Под уравнением
введем две графы. В которые проставим
количества реагентов и продуктов,
находившихся в реакторе до начала и после
окончания реакции.
В
реактор было помещено 1 моль азота, 5 моль
водорода, аммиака не было, т.е. - 0 моль. Нам
неизвестно действительное количество
азота, вступившего в реакцию, примем его за
х моль. Тогда водорода прореагирует 3х моль,
и образуется 2х моль аммиака. По окончании
реакции в реакторе будет находиться (1-х)
моль азота, (5-3х) моль водорода и 2х моль
аммиака. Подсчитаем и общее количество
вещества до, и после
реакции: 1+5=6 моль - до реакции; 1-х+5-3х+2х=(6-2х) -
моль после реакции:
N2 + 3H2
= 2
NH3.
Всего
1 5
0 6
до реакции
(1-х) (5-3х)
2х (6-2х)
после реакции
Из
уравнения Менделеева-Клапейрона (уравнения
состояния идеального газа) PV=nRT следует, что при T=const P1:P2=n1:n2.
Приняв начальное давление за у, а конечное
за 0,8у получим у:0,8у=6:(6-2х) Þ 6-2х=4,8
Þ х=0,6
. Теоретический выход определим исходя из
количества вещества, взятого в недостатке.
Из 1 моль азота теоретически могли получить
2 моль аммиака, а получили только 2х или 1,2.
Воспользовавшись уравнением (8) получим 1,2:2 =
0,6 или 60%.
Задача
5.2. Найдите количество сложного эфира,
которое образуется при нагревании до
некоторой температуры смеси 150 г уксусной
эссенции (80%-ный водный раствор) и 200 мл 90%-ного
этанола (r=0,82
г/мл) в присутствии серной кислоты в
качестве катализатора, если константа
равновесия для этой реакции при данной
температуре равна 1/3.
Для
решения задачи запишем уравнение реакции
образования сложного эфира:
CH3COOH
+ C2H5OH = CH3COOC2H5
+
H2O
В 150 г раствора
уксусной эссенции содержится 120 г (2 моль)
уксусной кислоты и 30 г (1,67 моль) воды. В 200 мл
(164 г) раствора этанола находится 147,6 г (3,21
моль) этанола и 16,4 г (0,91 моль) воды. Данные,
проставленные под уравнением, будут
выглядеть следующим образом:
CH3COOH
+ C2H5OH = CH3COOC2H5 +
H2O
2
3,21 0
(1,67+0,91) до
реакции
(2-х) (3,21-х)
х
(1,67+0,91+х) после
реакции
Подставим,
полученные в таблице цифры в выражение для
константы равновесия реакции: Кр =[CH3COOC2H5][H2O]/[CH3COOH][C2H5OH]=1/3
или (2-x)(3,21-x)/x(2,58+x)=1/3 . Условию задачи
удовлетворяет значение корня х=1,22
моль.
Задача
5.3. Водный раствор
HF содержит 2,0 г кислоты в 1 литре раствора.
Степень диссоциации кислоты равна 8%. Чему
равна константа диссоциации?
Запишем
уравнение реакции диссоциации HF: HF + H2O=F-
+ H3O+.
Определим
количество HF: n(HF)=m/M=2/20=0,1
моль. Количество продиссоциировавших
молекул HF, образовавшихся ионов F- и H3O+
равно 0,1·0,08=0,008.
Количество оставшегося после реакции HF
будет равно 0,1-0,008=0,092. Проставим данные под
уравнением реакции.
HF
+ H2O
= F-
+ H3O+
0,1
0
0
до реакции
0,092
0,008 0,008
после реакции
Kд=[F-][H3O+]/[HF]=0,0082/0,092=0,000696
или 6,96·10-4.
Решение
этой задачи возможно также вторым способом
с использованием закона разбавления
Оствальда Kд=Сa2/(1-a)