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 ）＋CO 2（g ）−−→

−高温

2CO （g ） r H m ＝·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：

)

/()/(2CO 2

CO o o p p p p p K = (7-1) )/()/(2CO 2CO o o p p x p p x p K ⋅⋅=

(7-2)

在实验条件下反应总压近似保持在101325Pa ， 故总总n n n n n n n n x x K o p

⋅-=+==)()(2222CO 2CO CO CO CO 2CO CO 2CO 由理想气体状态方程得

)/)(//()/(CO 2

CO RT V RT V RT V RT V K o p

总总-= =)(/CO 2CO V V V V -总总 (7-3)

式中V co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V CO。

二氧化碳与碳高温下的等压反应热效应为＋·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V CO。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