实验7气相反应平衡常数的测定说课材料.docx

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实验7气相反应平衡常数的测定说课材料

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）

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：

（7-1）

（7-2）

在实验条件下反应总压近似保持在101325Pa，

故

由理想气体状态方程得

=

（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。