a)

Aby zwiększyć wydajność reakcji należy:

zwiększyć stężenie tlenku węgla(IV),

zmniejszyć stężenie tlenku węgla(II),

zwiększyć temperaturę.

Zmiana ciśnienia w układzie nie wpływa na na wydajność reakcji.

 

---

Wyjaśnienie:

Odbieranie produktu oraz dodawanie substratu do układu, zwiększa wydajność reakcji równowagowych. Zwiększenie temperatury wpływa na zwiększenie wydajności reakcji endotermicznych. W reakcji biorą udział dwa mole gazowych substratów i tyle samo moli gazowych produktów - zmiana ciśnienia nie wpływa na wydajność i położenie stanu równowagi w takim układzie.

 

b)

Znana jest liczba moli gazowych substratów reakcji:

$n_{\mathrm{CO}{}_2}+n_{\mathrm{H}{}_2}=0,3125\mathrm{mol}\Rightarrow n_{\mathrm{CO}{}_2}=0,3125\mathrm{mol}-n_{\mathrm{H}{}_2}$

oraz ich stosunek masowy:

$\frac{m_{\mathrm{CO}{}_2}}{m_{\mathrm{H}{}_2}}=\frac{11}{2}$

Masy substratów wyrażamy za pomocą liczby moli:

$\frac{n_{\mathrm{CO}{}_2}\cdot M_{\mathrm{CO}{}_2}}{n_{\mathrm{H}{}_2}\cdot M_{\mathrm{H}{}_2}}=\frac{11}{2}$

Podstawiamy do powyższego równania masy molowe wodoru (M = 2g/mol), dwutlenku węgla (M = 44 g/mol) oraz wyrażenie na liczbę moli dwutlenku węgla:

$\frac{\left(0,3125\mathrm{mol}-n_{\mathrm{H}{}_2}\right)\cdot 44\frac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}}{n_{\mathrm{H}{}_2}\cdot 2\frac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}}=\frac{11}{2}$

Upraszczamy równanie i wyznaczamy wartość liczby moli wodoru:

$\frac{0,3125\mathrm{mol}-n_{\mathrm{H}{}_2}}{n_{\mathrm{H}{}_2}}=\frac{11}{44}$

$1,25\mathrm{mol}-4n_{\mathrm{H}{}_2}=n_{\mathrm{H}{}_2}$

$n_{\mathrm{H}{}_2}=0,25\mathrm{mol}\Rightarrow n_{\mathrm{CO}{}_2}=0,0625\mathrm{mol}$

Objętość reaktora jest stała i wynosi 1 dm³. Na podstawie równania reakcji:

$\mathrm{CO}{}_2+\mathrm{H}{}_2\rightleftarrows \mathrm{CO}+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

 konstruujemy tabelę stężeń początkowych, zmian stężeń oraz stężeń równowagowych reagentów:

reagent	c0 [mol/dm3]	Δc [mol/dm3]	crówn. [mol/dm3]
CO2	0,0625	-x	0,0625-x
H2	0,25	-x	0,25-x
CO	0	+x	x
H2O	0	+x	x

gdzie:

c₀ - stężenie początkowe,

Δc - zmiana stężenia,

c_równ. - stężenia równowagowe.

Wyrażenie na stałą równowagi reakcji przyjmuje postać:

$\mathrm{K}=\frac{\left[\mathrm{CO}\right]\cdot \left[\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\right]}{\left[\mathrm{CO}{}_2\right]\cdot \left[\mathrm{H}{}_2\right]}$

Znając jej wartość (K = 0,25) wyznaczamy wartość parametru x:

$0,25=\frac{x\cdot x}{\left(0,0625-x\right)\left(0,25-x\right)}$

$0,25=\frac{x^2}{x^2-0,3125+0,0156}$

$-0,75x^2-0,0781x+0,0039=0$

$\Delta \approx 0,0178$

$\sqrt{\Delta }\approx 0,1334$

$x_1=\frac{0,0781+0,1334}{-1,5}<0$

$x_2=\frac{0,0781-0,1334}{-1,5}\approx 0,0369$

Aktualizujemy tabelę:

reagent	c0 [mol/dm3]	Δc [mol/dm3]	crówn. [mol/dm3]
CO2	0,0625	-0,0369	0,0256
H2	0,25	-0,0369	0,2131
CO	0	+0,0369	0,0369
H2O	0	+0,0369	0,0369

 

Odpowiedź: Molowy skład zawartości naczynia w stanie równowagi to ok. 0,0256 mol CO₂, 0,2131 mol H₂, 0,0369 mol CO, 0,0369 mol H₂O.