Zadanie z równowagi chemicznej − I etap Olimpiady Chemicznej
Część I
Tlenek żelaza (II) jest związkiem trwałym w temperaturze pokojowej. W przypadku , gdy podgrzejemy układ do 1000 K równowagowe ciśnienie tlenu wynosi pO2 = 4,13 • 10ー16 Pa
Część II : Tlenek żelaza (II) może pod wpływem tlenku węgla zostać zredukowany do metalicznego żelaza, a drugim produktem takiej reakcji jest inny tlenek węgla. Ustalono, że równowagowa mieszanina tlenków węgla pod całkowitym ciśnieniem wynoszącym 1 bar zawiera 43 % CO2 oraz 57 % CO.
Polecenia:
a. (6 m.) napisz równanie reakcji rozkładu tlenku żelaza (II) bilansując reakcję w taki sposób, aby uzyskać najmniejsze całkowite współczynniki stechiometryczne.
b. (6 m.) oblicz ciśnieniową stałą równowagi dla tej reakcji.
c. (6 m.) oblicz entalpię swobodną tej reakcji.
d. (6 m.) udowodnij, że dla entalpii swobodnej o wartościach mniejszych od zera, równowaga jest przesunięta w prawo.
e. (6 m.) napisz równanie reakcji tlenku żelaza z tlenkiem węgla i oblicz ciśnieniową stałą równowagi tej reakcji.
f. (6 m.) oblicz stałą równowagi reakcji rozkładu tlenku węgla (IV) do tlenku węgla (II).
g. (6 m.) oblicz stopień dysocjacji CO2 zakładając ciśnienie całkowite równe 1 bar. Wskazówka : zastanów się, jakiej wartości stopnia dysocjacji się spodziewasz (np. bardzo duże, bardzo małe) i jak to może wpłynąć na uproszczenie obliczeń.
h. (6 m.) czy obliczony w podpunkcie g) stopień dysocjacji będzie miał inną wartość dla ciśnienia całkowitego wynoszącego 10 barów? Czy ewentualną zmianę stopnia dysocjacji dało się przewidzieć na podstawie reguły Le-Chateliera?
Rozwiązanie zadania 1
a. 2FeO (s) ⇄ 2Fe (s) + O2 (g)
b. Wyrażenie na stałą równowagi dla przebiegającej reakcji ma postać : Kp1 = pO2 • (p°)ー1 . Wówczas wartość stałej równowagi jest równa : Kp = 4,13 • 10ー21
c. ΔG = – 8,314 • 1000 • ln (4,13 • 10ー21 ) ≅ 390,23 kJ/mol
d. Na mocy wzoru : ΔG = – RT ln K możemy zgodnie z warunkiem zadania napisać nierówność – RT ln K < 0 i skoro R > 0 , T > 0 , to aby spełniona była ta nierówność, to ln K > 0 , a logarytm naturalny jest dodatni dla liczb większych od 1 , czyli K > 1 , a to oznacza równowagę przesuniętą w prawo.
e. FeO (s) + CO (g) ⇄ Fe (s) + CO2 (g)
f. Szukana reakcja ma postać : 2CO2 (g) ⇄ 2CO (g) + O2 (g) , a jej stała równowagi ma postać :
Łatwo zauważyć, że można ją otrzymać wychodząc ze stałej Kp1 oraz Kp2 . Wystarczy stałą Kp1 pomnożyć przez odwrotność Kp2 , którą jeszcze wtedy należy wziąć do kwadratu :
Podstawiając to do wyrażenia na stałą ciśnieniową uzyskaną w podpunkcie f. mamy :
Korzystając ze wskazówki podanej w treści polecenia możemy ustalić, że skoro Kp << 1 to ? << 1 , a wówczas 2 + ? ≅ 2 oraz 2 – 2? ≅ 2 . Wtedy nasze równanie upraszcza się do postaci :
Nasze założenie, że ? << 1 było słuszne.
h. Tak. Wzrost ciśnienia całkowitego spowoduje przesunięcie stanu równowagi w lewo, zatem wartość stopnia dysocjacji się zmniejszy. Można to poprzeć obliczeniami :
Jeśli podobają Ci się takie zadania i szukasz dodatkowego treningu, to znajdziesz go w kursie przygotowującym do 68. Olimpiady Chemicznej!
Odpowiedzi