3.2. Исследование 2

В этом исследовании нужно для рассматриваемой системы рассчитать число степеней свободы, определить возможное направление протекания реакции при заданных условиях, а также состав газовой фазы системы в состоянии равновесия.

3.2.1. Определение числа фаз, независимых компонентов и степеней свободы

Рассматриваемая система состоит из трех фаз: двух твёрдых фаз FeS и FeCl₂, а также одной газообразной, представляющей смесь газов HCl и H₂S. Итак, ф = 3.

Число независимых компонентов (k) равно наименьшему числу веществ, необходимых для выражения состава всех фаз системы. Это число определяют как общее число веществ в системе (m) за вычетом числа связей между ними (r). Связь между веществами, входящими в рассматриваемую систему, выражается уравнением реакции. Следовательно:

k = m – r = 4 – 1 = 3 (20)

Число степеней свободы (C - вариантность системы) равно числу параметров системы (давления, температуры, концентрации компонентов), которые можно изменить в некоторых пределах так, чтобы число и природа фаз оставались прежними. По правилу фаз Гиббса:

С = k + n – ф, (21)

где n – число внешних параметров, влияющих на состояние равновесия системы. Обычно это давление и температура, т.е. n = 2.

Для рассматриваемой системы:

с = k + 2 – ф = 3 + 2 – 3 = 2.

Если в качестве независимых переменных выбрать давление Р и температуру Т, то концентрации H₂S и HCl в состоянии равновесия будут функциями этих переменных. Например: %H₂ S = (Р, Т).

3.2.2. Определение возможного направления реакции

Для решения этой задачи воспользуемся уравнением изотермы Вант – Гоффа:

, (22)

где – произведение фактических парциальных давлений газовых компонентов реакции;

К_p – константа равновесия реакции при данной температуре.

Напомним, что в соответствии со вторым законом термодинамики в изобарно – изотермических условиях возможно самопроизвольное протекания процессов, сопровождающихся уменьшением энергии Гиббса системы:

< 0 (23)

В применении к химической реакции это означает, что процесс самопроизвольно может идти слева направо при <0 и справa налево при>0.

Из уравнения (18) следует, что первое условие (<0) выполняется при< К_p, а второе (>0) - при> К_p.

Таким образом, для ответа на поставленный вопрос необходимо рассчитать константу равновесия при заданной температуре (Т = 550К) и величину П_p при содержании HCl, равном 30% об. и H₂S – 70% об., а также общем давлении, равном 152,0 кПа. Найдем величину Кр при 550К из выведенного в п. 3.1.4 уравнения (19):

lnK_p,550 = 9890/T - 12,815 = 9890/550 - 12,815 = 5,17.

Отсюда: = 175,2.

В соответствии с уравнением реакции (FeS+ 2HCl = FeCl₂ + H₂S произведение фактических парциальных давлений запишется:

(24)

где – фактические парциальные давления хлористого водорода и сероводорода, соответственно, выраженные в относительных единицах. Для нахождения относительного давления следует давление, выраженное в паскалях, разделить на стандартное давление, равное P_общ = 101,300 кПа.

Определим общее давление, выраженное в относительных единицах:

По закону Дальтона парциальное давление компонента газовой смеси равно общему давлению, умноженному на объёмную долю данного компонента:

Отсюда произведение фактических парциальных давлений согласно уравнения (24):

Сравнивая К_р и П_р видно, что К_р > П_р (175,2 > 7,41 ), то есть при заданных условиях по уравнению (22) G < 0 и возможное направление реакции – слева направо, т.е. в сторону образования H₂S и FeCl₂.