实验7气相反应平衡常数的测定

实验7气相反应平衡常数的测定一、目的要求1．直接测定法测量不同温度下二氧化碳与灼热碳反应的平衡常数。2．了解高温的测量和控制及气体的取样分析。二、原理二氧化碳与灼热碳的反应：C（s）＋CO2（g）高温2CO（g）rHm＝157.78kJ·mol-1假定反应气相混合物为理想气体，对于复相化学平衡，其平衡常数用各组分气体分压表示：)/()/(2CO2COoopppppK(7-1))/()/(2CO2COooppxppxpK(7-2)在实验条件下反应总压近似保持在101325Pa，故总总nnnnnnnnxxKop)()(2222CO2COCOCOCO2COCO2CO由理想气体状态方程得)/)(//()/(CO2CORTVRTVRTVRTVKop总总=)(/CO2COVVVV总总(7-3)式中Vco为标准态压力下一氧化碳的体积，V总为标准态压力下一氧化碳和二氧化碳平衡混合气的总体积。本实验中对反应达平衡后的混合气体“冻结”后进行取样分析，可测出V总和VCO。二氧化碳与碳高温下的等压反应热效应为＋157.78kJ·mol-1，是吸热反应。温度升高，反应向生成CO方向进行，平衡常数增大。而且该反应有体积变化，压力增加，反应向气体体积缩小的方向即生成CO2方向进行。当压力恒定时，影响化学平衡移动的因素只有温度。故可在不同的温度下对反应平衡常数进行测量，从而考察温度对平衡常数的影响。该反应除考虑热力学平衡外，还要考虑动力学因素。该反应是非均相反应，CO2还原成CO的速度在低于600℃时很慢，温度高于1100℃速度才显著加快。因此，在较低温度下，反应要达到平衡需要很长时间。三、仪器和试剂反应装置一套（UJ-36型便携式电位差计一台；XCT-101动圈式温度指示调节仪一台；镍铬-镍铬鎧装热电偶两对）；CO2钢瓶一个；碳粒；40％NaOH溶液；液体石蜡；饱和食盐水。四、实验步骤实验装置如图7-1连接好，检查体系密封性。由二氧化碳钢瓶出来的气体经干燥后进入反应管，在一定的温度下进行反应。将反应后的平衡混合气体，用量气管取样，通过盛有氢氧化钠溶液的吸收瓶对二氧化碳气体进行吸收，记下吸收前后量气管内的体积，就可对平衡混合气体组分进行分析。具体操作如下：1．用二氧化碳气体流赶走体系中的空气将三通活塞1、2、3均与大气相通，以每分钟约0.5升的CO2气流冲洗体系2～3min，与此同时，提高下口瓶II，使下口瓶I充满液体石蜡，然后将瓶II挂起。冲洗完后，关闭钢瓶，旋转活塞3使其不与大气和量气管相通。2．充人反应原料气体旋转活塞1，使其与反应管不通，将下口瓶II取下放桌上，开启钢瓶让以CO2气体充满下口瓶1，然后关闭钢瓶，旋转活塞1，使下口瓶I处于三不通。3．排除贮气袋中的气体旋转活塞2，使贮气袋与反应管不通而与大气相通（旋转活塞3）。如果贮气袋中有较多气体，先用手轻压气袋，让大部分气体缓慢排出。打开活塞4使量气管与大气相通（与气体吸收瓶不通），提高下口瓶III让液体充满量气管，旋转活塞3使贮气袋与量气管通而与大气不通，下降下口瓶III，贮气袋内的余气可用此法抽尽。按此法重复几次直至量气管内的液面保持在活塞4上面一定高度处，说明贮气袋气体接近抽尽。旋转活塞4使三不通；旋转活塞1使下口瓶I只与反应管通；旋转活塞2使贮气袋只与反应管通。4．通电加热进行反应接好电位差计的测量线路，通电加热，调整动圈式温度指示调节仪的控温指针到所需温度（约600℃），当温度达到预定温度时，控温仪会对炉温进行自动控制。饱和食盐水图7-1气相反应平衡常数测定装置5．倒气法使气体充分反应达到平衡用电位差计测量炉温达到预定温度并稳定时，先提升下口瓶II，让液体石蜡填充瓶II，然后降低下口瓶II，让贮气袋中的气体倒向瓶I中，用倒气法来回倒气5次（每倒一次气最好静置2～3min），使体系内的CO2气体能与灼热碳充分反应达平衡。（注意：每个温度下，倒气5次的总时间应相同，约为30分钟）。6．取混合气进行组分分析取气前需将活塞2与4之间及量气管的气体排除。为此，打开活塞3和“1使与大气相通。提高下口瓶III，让饱和食盐水充满整个量气管及活塞3下方的空间，关闭活塞4使三不通，再转动活塞3使与大气不通。打开活塞4，再转动活塞2让量气管液面下降10～15ml之间（相当活塞2与3之间的空间体积），关闭活塞2。提升下口瓶III并转动活塞3使量气管与大气相通，此时管内液面上升，让其充满量气管整个内空间后，关闭活塞3使与大气不通，再打开活塞2，用量气管从贮气袋或反应体系取气约45m1，关闭活塞4和2使三不通。提升下口瓶III，使瓶内的液面与量气管内的液面在同一水平，读取101325Pa下混合气体的总体积。7．进行气体吸收测量CO体积打开活塞5，准确记下吸收瓶中NaOH液面的高度。转动活塞4使量气管与气体吸收瓶相通，不断提升、下降下口瓶皿，使混合气体中的CO2反复被NaOH溶液吸收，直至下口瓶III放于桌面，量气管内液面保持在某一刻度不变（前后两次测量误差为0.2ml左右）时为止。提升下口瓶皿，使气体吸收瓶内液面回复到原来的高度，然后关闭活塞5和活塞4（三不通），再使下口瓶III内液面与量气管内的液面在同一水平，读取量气管内101325Pa下CO的体积VCO。记下炉温（UJ-36电位差计稳定读数）。8．将控温仪的指针调节到700℃，当炉温稳定时，按上述步骤5～7再进行一次实验。9．实验结束时，切断电源，检查钢瓶是否关闭，待炉温下降后，再使体系与大气相通。五、实验注意事项1．开启钢瓶前，先检查好气路，此外，气流不能开得过大，以免管道冲脱及石蜡油从下口瓶II溢出。2．通电加热前，量气管必须与下口瓶I及贮气袋连通，以免气体膨胀将反应管两端塞子冲开。3．实验装置为玻璃仪器连接，旋转活塞时要用左手固定活塞外部，用右手轻旋，切忌远距离单手操作和用力过猛。六、数据处理1．计算相应温度下CO2和CO的体积百分数。2．计算相应温度下的平衡常数。七、思考题1．进行下一个温度反应，是否需要再充CO2原料气并将体系的气体赶出去？为什么？2．为什么CO2气体进入反应体系前要预先进行干燥？3．反应体系为什么要恒定在101325Pa的压力下？测量平衡混合气总体积和CO体积时，下口瓶III液面为什么要与量气管液面比平？4．测量CO体积时，如何扣除气体吸收瓶液面上的气体体积？八、参考资料1．彭少芳。物理化学实验。北京：人民教育出版社，1963。69。2．顾良证，武传昌等。物理化学实验。南京：江苏科学技术出版社，1986。