Zadanie 1. Równowagi

Obliczenia chemiczne przyzwyczaiły nas do tego, że reakcja zachodzi do końca, tzn. do momentu, w którym jeden z substratów zwyczajnie się skończy. Tymczasem reakcje odwracalne biegną do momentu ustalenia się stanu równowagi. Oczywiście jest to pewne uproszczenie. Osiągnięcie stanu równowagi nie oznacza, że reakcja przestaje biec – przemiany zachodzą dalej, ale szybkość reakcji tworzenia produktów i ich przemiany w substraty jest taka sama. Patrząc z zewnątrz wydaje się, że reakcja nie zachodzi, bo stężenia reagentów nie ulegają już zmianie.

Dzisiaj pokażę jak rozwiązywać typowe zadania maturalne. Zróbmy to na przykładzie (CKE maj 2016, stara formuła)

W temperaturze 800 K stężeniowa stała równowagi reakcji przebiegającej zgodnie z równaniem
CO (g) + H2O (g) ⇄ CO2 (g) + H2 (g)
jest równa 4.
Oblicz, ile moli wody (w postaci pary wodnej) należy wprowadzić do reaktora o pojemności 1 dm3, w którym znajduje się 30 moli tlenku węgla(II), aby otrzymać 10 moli wodoru w temperaturze 800 K. Reakcja pary wodnej i tlenku węgla(II) przebiega w zamkniętym reaktorze.

Rozwiązanie tego typu zadań zaczynamy od zrobienia tabeli:
C0 –  stężenie początkowe
ΔC –  ilość, która wzięła udział/powstała w reakcji
CR –  stężenie równowagowe

Najczęściej pisze się tylko dwie kolumny. Ja wstawiam dodatkową dla osób, które mają problemy z odróżnieniem stężenia początkowego od ilości, która rzeczywiście przereagowała.

C0 ΔC CR
CO
H2O
CO2
H2

W zadaniu musimy obliczyć ile moli pary wodnej należy wprowadzić do reaktora, czyli nic innego jak stężenie początkowe H2O.
Zacznijmy od produktów reakcji. Wiemy, że powinniśmy otrzymać 10 moli wodoru. Z równania reakcji wynika, że powstaje taka sama ilość H2 i CO2, więc ΔC będzie taka sama dla obu produktów. Nie mamy żadnej informacji o tym, że H2 i CO2 znajdowały się już w układzie, dlatego zakładamy ich stężenia początkowe jako 0.
Stężenie początkowe CO to 30 moli (bo tyle wprowadzmy do reaktora), a stężenie wody oznaczamy jako x. Wszytkie ilości są podane dla reaktora o pojemności 1dm3. Pamiętaj, że gdyby objętość była inna, konieczne byłoby przeliczenie ilości moli.

C0 ΔC CR
CO 30
H2O x
CO2  0 10
H2 0 10

Ponieważ liczba moli substratów i produktów, która bierze udział w reakcji jest taka sama (wynika to z równania), wiemy, że ΔC będzie takie samo dla każdego z reagentów. Gdyby stosunki były różne, to środkową kolumnę trzeba by było przeliczyć. Pokażę to przy innym zadaniu.

C0 ΔC CR
CO 30 10 
H2O x 10 
CO2  0 10  10
H2 0 10  10

Żeby wyznaczyć x będziemy potrzebować również stężeń równowagowych. Możemy je obliczyć ze stałej równowagi. Najpierw rozpiszmy je w tabeli, potem tylko wstawimy je do wzoru. Tabelę czytamy tak, jakby pomiędzy kolumną 2 i 3 był znak +/- (w zależności od tego czy substancji przybywa czy ubywa), a między 3 i 4 znak =. Stąd dla CR dla CO będzie wynosiło 20, a dla wody x-10.

C0 ΔC CR
CO 30 10 = 20
H2O x 10 = x-10
CO2  0 + 10 = 10
H2 0 + 10 = 10

Kiedy rozpisaliśmy już wszystkie stężenia równowagowe, możemy podstawić je do wzoru na stałą równowagi:

K=\frac{[CO_{2}][H_{2}]}{[CO][H_{2}O]}

[H_{2}O]=\frac{[CO_{2}][H_{2}O]}{K[CO]}

x-10=\frac{10*10}{4*20}

x-10=1.25

x=11.25

Pamiętaj, że x jest już wynikiem końcowym (patrz: tabela)! Nie trzeba już niczego dodawać ani odejmować .

Powodzenia!

Podobał Ci się wpis? Nie bądź Janusz, daj lajka i podziel się z innymi

2 thoughts

    1. Oczywiście stężenie wyraża się w mol/l. W tym przypadku nie wprowadzam jednak jednostek do tabeli, stąd dopisek, że “Wszytkie ilości są podane dla reaktora o pojemności 1dm3. Pamiętaj, że gdyby objętość była inna, konieczne byłoby przeliczenie ilości moli.”

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *