Выбор оптимальных условий проведения реакций

Если наша цель – получить максимальный выход продукта за определенное небольшое время, а реакция медленная и обратимая, то нужно одновременно учитывать закономерности кинетики и равновесия.

Удаление из реакционной смеси продуктов реакции обычно не влияет на кинетику прямой реакции, но благоприятно для смещения равновесия.

Увеличение концентраций исходных веществ благоприятно и для ускорения реакции, и для смещения равновесия в нужную сторону.

Аналогично действует повышение температуры, но лишь в случае эндо термической реакции. Если же прямая реакция экзо термична, то возникает противоречие: для ускорения реакции нужно повышать температуру, а для смещения равновесия в нужную сторону – понижать температуру. Поэтому оптимальная температура проведения реакции определяется компромиссом между эти двумя требованиями. Она не должна быть слишком низкой: при этом равновесный выход продукта велик, но слишком долго приходится ждать достижения этого равновесия, реально достижимый выход гораздо меньше равновесного; она не должна быть и слишком высокой: равновесие будет достигнуто быстро, но равновесный выход будет мал.

Влияние давления на системы с участием газов также неоднозначно. Повышение общего давления ускоряет реакцию с участием газов благодаря росту их парциальных давлений, но смещает равновесие в нужную сторону только там, где число газовых молекул уменьшается. Если же оно возрастает, то опять возникает противоречие: кинетика требует высоких давлений, а смещение равновесия – низких, поэтому нужен компромисс.

Увеличение площади контакта (в гетерогенных системах) и введение катализатора не влияют на равновесие, но ускоряют его достижение, поэтому всегда полезны.

Классический пример применения этих принципов – синтез аммиака: экзотермический процесс, идущий с уменьшением числа газовых молекул:

N₂ + 3H_{2 ←} ^→ 2NH₃; Δ H < 0.

Оптимальные условия: давление – как можно выше, катализатор обязателен, температура – не слишком высокая и не слишком низкая (около 450°С), продукт реакции периодически удаляют путем сжижения и возвращают непрореагировавшую азотоводородную смесь в реактор.

10. Задачи и упражнения по химическому равновесию

При решении расчётных задач используйте цифровые данные из Приложения. Примеры решения подобных задач можно найти в задачнике Глинки [3, 4].

10.1. От чего зависят, а от чего не зависят численные значения константы скорости и константы равновесия? Подготовьте обоснованные ответы для обсуждения на семинаре:

10.2. Вычислите концентрации ионов Н⁺, HSe ^–, Se^{2 –} в 0, 05 М растворе H₂Se [3, № 505; 4, № 512].

10.3. Как изменится рН, если вдвое разбавить водой: а) 0, 2 М раствор НС1; б) 0, 2 М раствор CН₃СООН; в) раствор, содержащий 0, 1 моль/л СНзСООН и 0, 1 моль/л CH₃COONa? [3, № 544; 4, № 551]. Указание. Для ответа не обязательно вычислять рН. Его изменение можно найти в уме из анализа формул.

10.4. Вычислите растворимость CaF₂ (в моль/л): (а) в воде, (б) в 0, 05 М растворе KF.

10.5. Сравнивая ПР, определите, у какой соли: AgI или Ag₃PO₄ выше растворимость в воде (в моль/л).

10.6. Выпадет ли осадок галогенида серебра при прибавлении к 1 л 0, 1 М раствора [Ag(NH₃)₂]NO₃, содержащему 1 моль/л аммиака: а) 10 ^{– 5} моль КВг; б) 10 ^{– 5} моль KI? [4, № 733].

11. Лабораторная работа по химическому равновесию