Задача 3. При 500 0С равновесие реакции N2(г) + 3H2(г) ↔ 2NH3(г) установилось при следующих концентрациях (моль/л) реагентов: [N2] = 1,8; [H2] = 7,4; [NH3] = 0,4

При 500 ⁰С равновесие реакции N_2(г) + 3H_2(г) ↔ 2NH_3(г) установилось при следующих концентрациях (моль/л) реагентов: [N₂] = 1, 8; [H₂] = 7, 4; [NH₃] = 0, 4. Определить: а) исходные концентрации азота и водорода; б) давление в реакционном сосуде в начальный момент и в момент наступления равновесия.

Решение. Обозначим исходные концентрации веществ как [N₂]_исх и [H₂]_исх, а часть исходных веществ, прореагировавших к моменту наступления равновесия как [N₂]_изр и [H₂]_изр. Равновесные концентрации обозначим как [N₂]_равн, [H₂]_равн и [NH₃]_равн. В начальный момент времени в реакционной смеси присутствуют только азот и водород в начальных концентрациях. В процессе реакции их концентрации убывают, а концентрация аммиака увеличивается. После установления равновесия (когда скорости прямой и обратной реакций равны) в равновесной смеси присутствуют не успевшие прореагировать азот и водород и успевший

образоваться аммиак. Очевидно, равновесные концентрации исходных веществ будут равны разности между их исходными концентрациями и тем количеством, которое прореагировало к моменту равновесия

[N₂]_равн = [N₂]_исх - [N₂]_изр; [H₂]_равн = [H₂]_исх - [H₂]_изр. Равновесные концентрации всех веществ даны в условии задачи, остается определить количества азота и водорода прореагировавших к моменту равновесия. Из уравнения реакции следует, что на каждые 2 моля образовавшегося аммиака затрачивается 1 моль азота и три моля водорода. По условию задачи к моменту равновесия успело образоваться 0, 4 моля аммиака. Для этого потребовалось:

из 3 молей [H₂] образуется 2 моля [NH₃], а

из Х молей [H₂] образуется 0, 4 моля [NH₃],

откуда Х = = 0, 6 моля = [H₂]_изр.

Аналогично находим, что к моменту равновесия израсходовалось [N₂]_изр = = 0, 2 моля.

Рассчитаем исходные концентрации веществ

[N₂]_исх = [N₂]_равн + [N₂]_изр = 1, 8 + 0, 2 = 2, 0 моль/л; [H₂]_исх = [H₂]_равн + [H₂]_изр = 7, 4 + 0, 6 = 8, 0 моль/л.

Для решения этой задачи удобно составить схему:

N_2(г) + 3H_2(г) ↔ 2 NH_{3 (г)}

С_исх 2, 0 8, 0 0

С_изр 0, 2 0, 6 0

С_равн 1, 8 7, 4 0, 4

С помощью этой схемы можно сделать любые расчеты, учитывая условия задачи;

б) согласно условию, Т = 500 + 273 = 773 К, V = 1л. Исходное число молей реагентов n _нач = n _нач[N₂] + n _нач[H₂] = 2 + 8 = 10 молей. В состоянии равновесия число молей газов будет равно n _равн = n _равн[H₂] + n _равн[N₂] + n _равн[NH₃] = 7, 4 + 1, 8 + 0, 4 = 9, 6 моль.

Подставляя полученные значения в уравнение (P = CRT), рассчитаем давление газовой смеси в начальный момент и в момент равновесия (R=8, 31Дж/моль∙ К=0, 082 л∙ атм/моль∙ град).

Р_нач = 10∙ 0, 082∙ 773 = 633, 86 атм;

Р_равн = 9, 6∙ 0, 082∙ 773 = 608, 5 атм.

Очевидно, что давление к моменту равновесия уменьшилось, так как реакция идет с убылью числа молей газов.