Χημική Ισορροπία – 6 Πρωτότυπες Ασκήσεις

1ο βήμα: Πίνακας mol

Αρχικά:

n_ολ,αρχ=2+8=10 mol

Στη χημική ισορροπία:

n_ολ,ΧΙ=(2−x)+(8−3x)+2x=10−2x

2ο βήμα: Σύνδεση πίεσης και συνολικών mol

Επειδή ο όγκος και η θερμοκρασία παραμένουν σταθερά, ισχύει:

P_αρχ/P_ΧΙ=n_ολ,αρχ/n_ολ,ΧΙ

20/16=10/(10−2x)

200−40x=160 ⇒ 40x=40 ⇒ x=1 mol

3ο βήμα: Σύσταση του μίγματος ισορροπίας

4ο βήμα: Έλεγχος περιοριστικού αντιδρώντος

Από το N₂:

1 mol N₂ → 2 mol NH₃

2 mol N₂ → 4 mol NH₃

Από το H₂:

3 mol H₂ → 2 mol NH₃

8 mol H₂ → 16/3 mol NH₃

Άρα περιοριστικό αντιδρών είναι το N₂ και η θεωρητική ποσότητα NH₃ είναι 4 mol.

5ο βήμα: Απόδοση

A=(n_πραγμ/n_θεωρ)·100

A=(2/4)·100=50%

6ο βήμα: Ποσοστό που αντέδρασε από κάθε αντιδρών

Για το N₂:

α_N2=(1/2)·100=50%

Για το H₂:

α_H2=(3/8)·100=37,5%

7ο βήμα: % v/v περιεκτικότητα NH₃

n_ολ,ΧΙ=1+5+2=8 mol

% v/v NH₃=(2/8)·100=25%

Τελικές απαντήσεις: Απόδοση 50%, N₂ που αντέδρασε 50%, H₂ που αντέδρασε 37,5%, NH₃ 25% v/v.

1ο βήμα: Πίνακας mol

n_ολ,αρχ=3+9=12 mol

n_ολ,ΧΙ=(3−x)+(9−3x)+2x=12−2x

2ο βήμα: Υπολογισμός του x από τις πιέσεις

Σε σταθερά V και T:

24/18=12/(12−2x)

288−48x=216 ⇒ 48x=72 ⇒ x=1,5 mol

3ο βήμα: Σύσταση στη χημική ισορροπία

4ο βήμα: Απόδοση

Το αρχικό μίγμα είναι στοιχειομετρικό, επειδή 3 mol N₂ απαιτούν 9 mol H₂.

Αν η αντίδραση ήταν πλήρης:

3 mol N₂ → 6 mol NH₃

Άρα n_θεωρ(NH₃)=6 mol, ενώ n_πραγμ(NH₃)=3 mol.

A=(3/6)·100=50%

5ο βήμα: % v/v σύσταση

n_ολ,ΧΙ=1,5+4,5+3=9 mol

% v/v N₂=(1,5/9)·100=16,67%

% v/v H₂=(4,5/9)·100=50%

% v/v NH₃=(3/9)·100=33,33%

Τελικές απαντήσεις: Απόδοση 50%, 1,5 mol N₂, 4,5 mol H₂, 3 mol NH₃.

1ο βήμα: Ανάγνωση του διαγράμματος

Από το διάγραμμα διαβάζουμε:

2ο βήμα: Έλεγχος στοιχειομετρίας

Οι μεταβολές είναι:

Δ[A]=−0,05 M, Δ[B]=−0,15 M, Δ[Γ]=+0,05 M, Δ[Δ]=+0,10 M

Ο λόγος 0,05:0,15:0,05:0,10=1:3:1:2 συμφωνεί με την εξίσωση:

3ο βήμα: Μετατροπή συγκεντρώσεων σε mol

Για V=4 L ισχύει n=cV.

4ο βήμα: Απόδοση της αντίδρασης

Αρχικά υπάρχουν:

n₀(A)=0,25·4=1 mol

n₀(B)=0,25·4=1 mol

Από τη στοιχειομετρία, 1 mol A απαιτεί 3 mol B. Επομένως περιοριστικό αντιδρών είναι το B.

Αν αντιδρούσε όλο το B:

3 mol B → 1 mol Γ

1 mol B → 1/3 mol Γ

Θεωρητικά n(Γ)=1/3 mol, ενώ πραγματικά παράχθηκαν 0,20 mol.

A=(0,20/(1/3))·100=60%

5ο βήμα: Μέση ταχύτητα αντίδρασης

Για το Γ, με στοιχειομετρικό συντελεστή 1:

ῡ=Δ[Γ]/Δt=0,05/100=5·10⁻⁴ mol·L⁻¹·s⁻¹

6ο βήμα: Αρχική και τελική πίεση

Αρχικά:

n_ολ,0=1+1=2 mol

P₀=nRT/V=(2·0,082·400)/4=16,4 atm

Στη ΧΙ:

n_ολ,ΧΙ=0,80+0,40+0,20+0,40=1,80 mol

P_ΧΙ=(1,80·0,082·400)/4=14,76 atm

Τελικές απαντήσεις: 0,80 mol A, 0,40 mol B, 0,20 mol Γ, 0,40 mol Δ, απόδοση 60%, ῡ=5·10⁻⁴ M·s⁻¹, P₀=16,4 atm, PΧΙ=14,76 atm.

1ο βήμα: Αντιστοίχιση των καμπυλών

Η καμπύλη που ξεκινά από μηδενική συγκέντρωση και αυξάνεται αντιστοιχεί στο προϊόν Γ.

Άρα: III=Γ.

Οι άλλες δύο καμπύλες μειώνονται, επομένως αντιστοιχούν στα αντιδρώντα A και B.

I=A: 0,80 M → 0,40 M

II=B: 0,60 M → 0,40 M

2ο βήμα: Εύρεση στοιχειομετρικών συντελεστών

|Δ[A]|=0,40 M

|Δ[B]|=0,20 M

Δ[Γ]=0,40 M

Ο λόγος των μεταβολών είναι:

0,40:0,20:0,40=2:1:2

Άρα η αντίδραση είναι:

Επομένως α=2 και β=1.

3ο βήμα: Πίνακας συγκεντρώσεων

Από το Γ: 2x=0,40 ⇒ x=0,20 M.

4ο βήμα: Περιοριστικό αντιδρών και απόδοση

Για πλήρη αντίδραση:

Από την A: 2 mol A → 2 mol Γ, άρα 0,80 M A → 0,80 M Γ.

Από τη B: 1 mol B → 2 mol Γ, άρα 0,60 M B → 1,20 M Γ.

Περιοριστικό αντιδρών είναι η A.

Θεωρητική [Γ]=0,80 M, ενώ πραγματική [Γ]=0,40 M.

A=(0,40/0,80)·100=50%

5ο βήμα: Μέση ταχύτητα αντίδρασης

Για το προϊόν Γ, του οποίου ο συντελεστής είναι 2:

ῡ=(1/2)·Δ[Γ]/Δt

ῡ=(1/2)·(0,40/5)=0,04 mol·L⁻¹·min⁻¹

Τελικές απαντήσεις: I=A, II=B, III=Γ, α=2, β=1, απόδοση 50%, ῡ=0,04 M·min⁻¹.

1ο βήμα: Υπολογισμός mol CO₂

T=727+273=1000 K

Από την καταστατική εξίσωση:

PV=nRT

n(CO₂)=PV/RT=(4,10·10)/(0,082·1000)=0,50 mol

2ο βήμα: Πίνακας mol

Επειδή n(CO₂)=0,50 mol, προκύπτει x=0,50 mol.

3ο βήμα: Υπολογισμός αρχικής ποσότητας CaCO₃

Στη στερεή φάση, για κάθε 1 mol CaCO₃ που διασπάται:

100 g CaCO₃ → 56 g CaO + 44 g CO₂

Άρα η μάζα των στερεών μειώνεται κατά 44 g για κάθε 1 mol διάσπασης.

Για 0,50 mol διάσπασης, η μείωση της μάζας των στερεών είναι:

0,50·44=22 g

Εφόσον στην ισορροπία υπάρχουν 78 g στερεών:

m_αρχ(CaCO₃)=78+22=100 g

n₀(CaCO₃)=100/100=1 mol

4ο βήμα: Απόδοση

Θεωρητικά, αν διασπαστεί όλο το 1 mol CaCO₃, παράγεται 1 mol CO₂.

Πραγματικά παράχθηκαν 0,50 mol CO₂.

A=(0,50/1)·100=50%

5ο βήμα: Ερμηνεία διαγράμματος ταχυτήτων

Αρχικά υπάρχει μόνο CaCO₃, άρα η αντίστροφη αντίδραση δεν μπορεί να πραγματοποιείται και υ₂=0.

Καθώς σχηματίζεται CO₂, η υ₂ αυξάνεται. Η υ₁ μειώνεται μέχρι να αποκατασταθεί δυναμική ισορροπία.

Στη χημική ισορροπία: υ₁=υ₂≠0.

Τελικές απαντήσεις: αρχική μάζα CaCO₃ 100 g, απόδοση 50%.

1ο βήμα: Υπολογισμός mol CO₂

T=727+273=1000 K

n(CO₂)=PV/RT=(4,92·5)/(0,082·1000)=0,30 mol

2ο βήμα: Πίνακας mol

Από το CO₂ έχουμε x=0,30 mol.

3ο βήμα: Αρχική μάζα CaCO₃

Για 0,30 mol διάσπασης παράγονται 0,30 mol CO₂, δηλαδή:

m(CO₂)=0,30·44=13,2 g

Η μάζα αυτή έχει απομακρυνθεί από τη στερεή φάση. Επομένως:

m_αρχ(CaCO₃)=61,8+13,2=75,0 g

n₀(CaCO₃)=75/100=0,75 mol

4ο βήμα: Απόδοση

Θεωρητικά 0,75 mol CaCO₃ μπορούν να δώσουν 0,75 mol CO₂.

Πραγματικά παράχθηκαν 0,30 mol CO₂.

A=(0,30/0,75)·100=40%

5ο βήμα: Διάγραμμα ταχυτήτων

Αρχικά υ₂=0, επειδή δεν υπάρχει CO₂.

Με την πάροδο του χρόνου η υ₁ μειώνεται και η υ₂ αυξάνεται.

Στη χημική ισορροπία ισχύει:

υ₁=υ₂≠0

Τελικές απαντήσεις: αρχική μάζα CaCO₃ 75,0 g, απόδοση 40%.