Рассчитать давление в сосуде В герметичном сосуде находится 1 моль азота и 1 моль водорода. После нагрева до некоторой температуры, константа равновесия системы N2 + 3 H2 ⇄ 2 NH3 стала равняться 0,15. Рассчитайте давление в сосуде в момент равновесия (в барах), если в результате реакции образовалось 0,2 моль аммиака. Ответ округлите до сотых.
Теперь мы можем записать общее количество веществ в равновесии: n<em>total=n</em>N2+n<em>H2+n</em>NH3=0,8+0,4+0,4=1,6 моль n<em>{total} = n</em>{N2} + n<em>{H2} + n</em>{NH3} = 0,8 + 0,4 + 0,4 = 1,6 \text{ моль} n<em>total=n</em>N2+n<em>H2+n</em>NH3=0,8+0,4+0,4=1,6моль
Теперь найдем давление PPP в сосуде по уравнению состояния идеального газа: PV=nRT PV = nRT PV=nRT
Где:
PPP — давление в барах,VVV — объем сосуда дляподсчетовегоможемвзятьравным1м3,таккакдавлениебудетотносительнымдля подсчетов его можем взять равным 1 м³, так как давление будет относительнымдляподсчетовегоможемвзятьравным1м3,таккакдавлениебудетотносительным,nnn — общее число моль 1,6моль1,6 моль1,6моль,RRR — универсальная газовая постоянная 0,0831л⋅бар/(моль⋅К)0,0831 л·бар/(моль·К)0,0831л⋅бар/(моль⋅К),TTT — температура в кельвинах нуженбудетещеодиншагдляуточнениянужен будет еще один шаг для уточнениянуженбудетещеодиншагдляуточнения.
Константа равновесия KpK_pKp для реакции: K<em>p=(P</em>NH3)2(P<em>N2)(P</em>H2)3
K<em>p = \frac{(P</em>{NH3})^2}{(P<em>{N2})(P</em>{H2})^3} K<em>p=(P<em>N2)(P</em>H2)3(P</em>NH3)2
У нас есть K<em>p=0,15K<em>p = 0,15K<em>p=0,15. Давление NH₃: P</em>NH3=n<em>NH3n</em>totalP=0,41,6P=0,25P
P</em>{NH3} = \frac{n<em>{NH3}}{n</em>{total}} P = \frac{0,4}{1,6} P = 0,25 P P</em>NH3=n</em>totaln<em>NH3P=1,60,4P=0,25P
Давление N₂: P<em>N2=n</em>N2ntotalP=0,81,6P=0,5P
P<em>{N2} = \frac{n</em>{N2}}{n_{total}} P = \frac{0,8}{1,6} P = 0,5 P P<em>N2=ntotaln</em>N2P=1,60,8P=0,5P
Давление H₂: P<em>H2=n</em>H2ntotalP=0,41,6P=0,25P
P<em>{H2} = \frac{n</em>{H2}}{n_{total}} P = \frac{0,4}{1,6} P = 0,25 P P<em>H2=ntotaln</em>H2P=1,60,4P=0,25P
Подставляя эти значения в уравнение для KpK_pKp: 0,15=(0,25P)2(0,5P)(0,25P)3
0,15 = \frac{(0,25P)^2}{(0,5P)(0,25P)^3} 0,15=(0,5P)(0,25P)3(0,25P)2
Для решения задачи воспользуемся принципом оценки равновесия и формулой для константы равновесия.
Исходное количество веществ:
N₂: 1 мольH₂: 1 мольNH₃: 0 мольПосле образования аммиака NH3NH₃NH3 и с учетом того, что образовалось 0,2 моль NH₃, мы можем записать:
N₂: 1 - xxxH₂: 1 - 3x3x3x таккакна1мольN2требуется3мольH2так как на 1 моль N₂ требуется 3 моль H₂таккакна1мольN2 требуется3мольH2 NH₃: 2x2x2xГде xxx = 0,2 моль. Теперь подставим xxx в уравнения:
N₂: 1−0,2=0,81 - 0,2 = 0,81−0,2=0,8 мольH₂: 1−3⋅0,2=0,41 - 3 \cdot 0,2 = 0,41−3⋅0,2=0,4 мольNH₃: 2⋅0,2=0,42 \cdot 0,2 = 0,42⋅0,2=0,4 мольТеперь мы можем записать общее количество веществ в равновесии:
n<em>total=n</em>N2+n<em>H2+n</em>NH3=0,8+0,4+0,4=1,6 моль n<em>{total} = n</em>{N2} + n<em>{H2} + n</em>{NH3} = 0,8 + 0,4 + 0,4 = 1,6 \text{ моль} n<em>total=n</em>N2+n<em>H2+n</em>NH3=0,8+0,4+0,4=1,6 моль
Теперь найдем давление PPP в сосуде по уравнению состояния идеального газа:
PV=nRT PV = nRT PV=nRT
Где:
PPP — давление в барах,VVV — объем сосуда дляподсчетовегоможемвзятьравным1м3,таккакдавлениебудетотносительнымдля подсчетов его можем взять равным 1 м³, так как давление будет относительнымдляподсчетовегоможемвзятьравным1м3,таккакдавлениебудетотносительным,nnn — общее число моль 1,6моль1,6 моль1,6моль,RRR — универсальная газовая постоянная 0,0831л⋅бар/(моль⋅К)0,0831 л·бар/(моль·К)0,0831л⋅бар/(моль⋅К),TTT — температура в кельвинах нуженбудетещеодиншагдляуточнениянужен будет еще один шаг для уточнениянуженбудетещеодиншагдляуточнения.Константа равновесия KpK_pKp для реакции:
K<em>p=(P</em>NH3)2(P<em>N2)(P</em>H2)3 K<em>p = \frac{(P</em>{NH3})^2}{(P<em>{N2})(P</em>{H2})^3}
K<em>p=(P<em>N2)(P</em>H2)3(P</em>NH3)2
У нас есть K<em>p=0,15K<em>p = 0,15K<em>p=0,15. Давление NH₃:
P</em>NH3=n<em>NH3n</em>totalP=0,41,6P=0,25P P</em>{NH3} = \frac{n<em>{NH3}}{n</em>{total}} P
= \frac{0,4}{1,6} P
= 0,25 P
P</em>NH3=n</em>totaln<em>NH3 P=1,60,4 P=0,25P
Давление N₂:
P<em>N2=n</em>N2ntotalP=0,81,6P=0,5P P<em>{N2} = \frac{n</em>{N2}}{n_{total}} P
= \frac{0,8}{1,6} P
= 0,5 P
P<em>N2=ntotal n</em>N2 P=1,60,8 P=0,5P
Давление H₂:
P<em>H2=n</em>H2ntotalP=0,41,6P=0,25P P<em>{H2} = \frac{n</em>{H2}}{n_{total}} P
= \frac{0,4}{1,6} P
= 0,25 P
P<em>H2=ntotal n</em>H2 P=1,60,4 P=0,25P
Подставляя эти значения в уравнение для KpK_pKp :
0,15=(0,25P)2(0,5P)(0,25P)3 0,15 = \frac{(0,25P)^2}{(0,5P)(0,25P)^3}
0,15=(0,5P)(0,25P)3(0,25P)2
Теперь упрощаем выражение:
0,15=0,0625P20,5P⋅0,015625P3=0,0625P20,0078125P4=0,06250,0078125⋅1P2=8⋅1P2 0,15 = \frac{0,0625 P^2}{0,5 P \cdot 0,015625 P^3}
= \frac{0,0625 P^2}{0,0078125 P^4}
= \frac{0,0625}{0,0078125} \cdot \frac{1}{P^2}
= 8 \cdot \frac{1}{P^2}
0,15=0,5P⋅0,015625P30,0625P2 =0,0078125P40,0625P2 =0,00781250,0625 ⋅P21 =8⋅P21
Приведем всё к надежной форме:
0,15=8P2 0,15 = \frac{8}{P^2}
0,15=P28
Из этого выражения можем найти PPP:
P2=80,15 P2=80,15=53.33 P=53.33≈7.31 бар P^2 = \frac{8}{0,15} \
P^2 = \frac{8}{0,15} = 53.33 \
P = \sqrt{53.33} \approx 7.31 \text{ бар}
P2=0,158 P2=0,158 =53.33 P=53.33 ≈7.31 бар
Таким образом, давление в сосуде в момент равновесия составляет приблизительно 7.31 бара. Oкругленный ответ: 7.31 бар.