Chemia - Zbiór zadań CKE, Poziom rozszerzony (Formuła 2015) - Zadanie 46.
Reakcja tlenku węgla(IV) z wodorem w fazie gazowej przebiega zgodnie z równaniem:
H2 (g) + CO2 (g) ⇄ CO (g) + H2O (g)
Do zamkniętego reaktora o objętości 2 dm3, w którym utrzymywano stałą temperaturę, wprowadzono 6 moli H2 i 4 mole CO2. Stan równowagi ustalił się, gdy powstało po 2 mole produktów.
Oblicz stężenia wodoru i tlenku węgla(IV) po ustaleniu się stanu równowagi oraz stężeniową stałą równowagi tej reakcji w temperaturze, która panowała w reaktorze.
Rozwiązanie
Przykłady poprawnych odpowiedzi
n0H2 = 6 moli
n0CO2 = 4 mole
V = 2 dm3
nH2O = nCO = 2 mole
nCO = 2 mole
[H2]
[CO2]
K
Rozwiązanie:
I sposób
cm = nv
Stężenia początkowe substratów:
n0H2 = 6 moli2 dm3 = 3 mol · dm−3
n0CO2 = 4 moli2 dm3 = 2 mol · dm−3
Stężenia początkowe produktów:
c0H2O = c0CO = 0 mol · dm−3
Stężenia równowagowe substratów:
[H2] = 6 moli − 2 mole2 dm3 = 2 mol · dm−3
[CO2] = 4 moli − 2 mole2 dm3 = 1 mol · dm−3
Stężenia równowagowe produktów:
[CO] = [H2O] = 2 mol2 dm3 = 1 mol · dm−3
K = [CO][H2O][H2][CO2] = 1 mol ∙ dm−3 ∙ 1 mol ∙ dm−32 mol ∙ dm−3 ∙ 1 mol ∙ dm−3 = 12
II sposób
cm = nv
Stężenia początkowe substratów:
c0H2O = c0CO = 0 mol · dm−3
Stężenia równowagowe produktów:
[CO] = [H2O] = 2 mol2 dm3 = 1 mol · dm−3
| H2 | CO2 | CO | H2O | |
| Cp | 3 | 2 | 0 | 0 |
| Δc | –1 | –1 | +1 | +1 |
| cr | 3 – 1 = 2 | 2 – 1 = 1 | 1 | 1 |
K = [CO][H2O][H2][CO2] = 1 mol ∙ dm−3 ∙ 1 mol ∙ dm−32 mol ∙ dm−3 ∙ 1 mol ∙ dm−3 = 12
Odpowiedź: Stężeniowa stała równowagi opisanej reakcji w danej temperaturze jest równa 12 lub 0,5.
Wskazówki
Mając liczbę moli reagentów i objętość reaktora, należy obliczyć ich stężenia. Z podanej liczby moli reagentów możemy obliczyć stężenia początkowe wodoru i tlenku węgla(IV) oraz stężenia równowagowe tlenku węgla(II) i wody. Stężenia początkowe substratów:
c0H2O = c0CO = 0 mol · dm−3
Stężenia równowagowe produktów są jednakowe, ponieważ na początku reakcji w reaktorze nie było produktów, a w wyniku reakcji powstaje ta sama liczba moli CO i H2O (co wynika z równania reakcji):
[CO] = [H2O] = 2 mol2 dm3 = 1 mol · dm−3
Wiedząc, ile moli produktów powstało, można obliczyć, ile moli substratów uległo zużyciu: jeżeli powstało po 2 mole każdego produktu, to przereagowało po 2 mole każdego substratu (to także wynika z równania reakcji). Możemy teraz obliczyć stężenia równowagowe substratów:
[H2] = 6 moli − 2 mole2 dm3 = 2 mol · dm−3
[CO2] = 4 moli − 2 mole2 dm3 = 1 mol · dm−3
W ten sposób dysponujemy wszystkimi wielkościami potrzebnymi do obliczenia wartości stężeniowej stałej równowagi w danej temperaturze:
K = [CO][H2O][H2][CO2] = 1 mol ∙ dm−3 ∙ 1 mol ∙ dm−32 mol ∙ dm−3 ∙ 1 mol ∙ dm−3 = 12
Jest ona równa 12.
