IChO 1983 · Theory problem 5
Ethanol dehydration equilibrium and its pressure dependence
On passing ethanol over a catalyst at 400 K, a dehydration reaction occurs resulting in the formation of ethylene:

At the above temperature and \(p_0 = 101.325\ \mathrm{kPa}\), the conversion of ethyl alcohol is 90.6 mol %.
5.1 Calculate the equilibrium constant \(K_p\) of the reaction under given conditions.
5.2 Calculate the values of the equilibrium constants \(K_x\) and \(K_c\) at the above temperature.
5.3 Calculate the ethanol conversion at the following pressures:
\(5p_0\), \(10p_0\), \(50p_0\), \(100p_0\), and \(200p_0\).
5.4 Plot the graph for the variation of conversion vs. pressure.
Official English text of the problem.
Answers
The constants below use the unnormalized pressure and concentration quotients defined in the solution.
- 5.1 \(\boxed{K_p=4.64\times10^2\ \mathrm{kPa}=4.58\ \mathrm{atm}}\).
- 5.2 At \(p=p_0\), \(\boxed{K_x=4.58}\); at \(400\ \mathrm{K}\), \(\boxed{K_c=0.140\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}\).
- 5.3 The equilibrium conversions at \(5p_0,\ 10p_0,\ 50p_0,\ 100p_0,\ 200p_0\) are, respectively, \(\boxed{69.1\%,\ 56.1\%,\ 29.0\%,\ 20.9\%,\ 15.0\%}\).
- 5.4 Plot \[ \boxed{\text{Conversion (\%)}= 100\sqrt{\frac{4.58148}{4.58148+p/p_0}}}. \] The curve decreases smoothly and is convex upwards, approaching \(100\%\) as \(p\to0^+\) and \(0\%\) as \(p\to\infty\).
Solution
5.1 — Pressure equilibrium constant
The balanced equilibrium is
\[ \ce{C2H5OH(g) <=> C2H4(g) + H2O(g)}. \]
The species are ethanol (CCO), ethylene, also called ethene (C=C), and water (O).
Assume a pure ethanol feed, ideal-gas behavior, and that the stated pressures are total equilibrium pressures. Let \(\alpha\) be the fraction of the initial ethanol converted. Starting with \(1\ \mathrm{mol}\) of ethanol gives:
| Species | Equilibrium amount (\(\mathrm{mol}\)) | Mole fraction |
|---|---|---|
| Ethanol | \(1-\alpha\) | \(\dfrac{1-\alpha}{1+\alpha}\) |
| Ethylene | \(\alpha\) | \(\dfrac{\alpha}{1+\alpha}\) |
| Water | \(\alpha\) | \(\dfrac{\alpha}{1+\alpha}\) |
| Total | \(1+\alpha\) | \(1\) |
Since \(p_i=x_i p\), the pressure quotient is
\[ K_p= \frac{p_{\ce{C2H4}}p_{\ce{H2O}}} {p_{\ce{C2H5OH}}} = \frac{\left(\dfrac{\alpha p}{1+\alpha}\right)^2} {\dfrac{(1-\alpha)p}{1+\alpha}} = \frac{\alpha^2p}{1-\alpha^2}. \]
At \(p=p_0=101.325\ \mathrm{kPa}\), the conversion is \(\alpha_0=0.906\). Thus
\[ K_p= \frac{0.906^2}{1-0.906^2} (101.325\ \mathrm{kPa}) =464.218\ \mathrm{kPa}. \]
Therefore,
\[ \boxed{K_p=464\ \mathrm{kPa}=4.58\ \mathrm{atm}}. \]
5.2 — Mole-fraction and concentration equilibrium constants
The mole-fraction quotient is
\[ K_x= \frac{x_{\ce{C2H4}}x_{\ce{H2O}}} {x_{\ce{C2H5OH}}} = \frac{\alpha^2}{1-\alpha^2}. \]
At the specified reference pressure,
\[ K_x(p_0)= \frac{0.906^2}{1-0.906^2} =4.58148, \]
so
\[ \boxed{K_x(p_0)=4.58}. \]
Here \(K_x\) depends on total pressure: at fixed temperature,
\[ K_x(p)=\frac{K_p}{p}. \]
For the concentration quotient,
\[ K_c= \frac{c_{\ce{C2H4}}c_{\ce{H2O}}} {c_{\ce{C2H5OH}}}. \]
The change in the number of gaseous moles is
\[ \Delta\nu=(1+1)-1=1. \]
Using \(p_i=c_iRT\),
\[ K_p=K_c(RT)^{\Delta\nu}=K_cRT. \]
With \(R=8.31446\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}}\),
\[ K_c= \frac{464.218\ \mathrm{kPa}} {(8.31446\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}}) (400\ \mathrm{K})} =0.139582\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
Hence
\[ \boxed{K_c=0.140\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}. \]
5.3 — Conversion at the specified pressures
At constant temperature, \(K_p\) remains unchanged. Rearranging
\[ K_p=\frac{\alpha^2p}{1-\alpha^2} \]
gives
\[ K_p=\alpha^2(K_p+p), \qquad \boxed{\alpha=\sqrt{\frac{K_p}{K_p+p}}}. \]
Writing \(r=p/p_0\), and using \(K_p/p_0=4.58148\),
\[ \alpha(r)=\sqrt{\frac{4.58148}{4.58148+r}}. \]
The resulting conversions are:
| Pressure | Pressure (\(\mathrm{kPa}\)) | Ethanol conversion (mol %) |
|---|---|---|
| \(5p_0\) | \(506.625\) | \(69.1\) |
| \(10p_0\) | \(1013.25\) | \(56.1\) |
| \(50p_0\) | \(5066.25\) | \(29.0\) |
| \(100p_0\) | \(10132.5\) | \(20.9\) |
| \(200p_0\) | \(20265\) | \(15.0\) |
The forward reaction converts one mole of gas into two. Increasing pressure therefore favors ethanol and reduces its equilibrium conversion.
5.4 — Description of the graph
Use total pressure \(p/p_0\) on the horizontal axis, from \(0\) to \(200\), and ethanol conversion in mol % on the vertical axis, from \(0\) to \(100\).
Draw the smooth curve
\[ y=100\sqrt{\frac{4.58148}{4.58148+p/p_0}} \]
through the reference point \((1,90.6)\) and the five calculated points:
\[ (5,69.1),\quad (10,56.1),\quad (50,29.0),\quad (100,20.9),\quad (200,15.0). \]
The curve approaches \((0,100)\) as pressure tends to zero. It falls steeply at low pressure and progressively flattens; it is convex upwards throughout. At indefinitely increasing pressure, conversion approaches zero asymptotically.
The solution was checked against the official solution. Where this solution differs from the official solution, the official solution contains an error or a misprint.
IChO 1983 · Theorieaufgabe 5
Gleichgewicht der Dehydratisierung von Ethanol und seine Druckabhängigkeit
Beim Leiten von Ethanol über einen Katalysator bei 400 K findet eine Dehydratisierungsreaktion statt, bei der Ethen entsteht:

Bei der oben genannten Temperatur und \(p_0 = 101.325\ \mathrm{kPa}\) beträgt der Umsatz von Ethanol 90.6 mol %.
5.1 Berechnen Sie die Gleichgewichtskonstante \(K_p\) der Reaktion unter den gegebenen Bedingungen.
5.2 Berechnen Sie die Werte der Gleichgewichtskonstanten \(K_x\) und \(K_c\) bei der oben genannten Temperatur.
5.3 Berechnen Sie den Ethanolumsatz bei den folgenden Drücken:
\(5p_0\), \(10p_0\), \(50p_0\), \(100p_0\) und \(200p_0\).
5.4 Stellen Sie die Abhängigkeit des Umsatzes vom Druck grafisch dar.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
Die nachstehenden Konstanten beruhen auf den in der Lösung definierten, nicht normierten Druck- und Konzentrationsquotienten.
- 5.1 \(\boxed{K_p=4.64\times10^2\ \mathrm{kPa}=4.58\ \mathrm{atm}}\).
- 5.2 Bei \(p=p_0\) gilt \(\boxed{K_x=4.58}\); bei \(400\ \mathrm{K}\) gilt \(\boxed{K_c=0.140\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}\).
- 5.3 Die Gleichgewichtsumsätze bei \(5p_0,\ 10p_0,\ 50p_0,\ 100p_0,\ 200p_0\) betragen in dieser Reihenfolge \(\boxed{69.1\%,\ 56.1\%,\ 29.0\%,\ 20.9\%,\ 15.0\%}\).
- 5.4 Zeichnen Sie den Graphen von \[ \boxed{\text{Umsatz (\%)}= 100\sqrt{\frac{4.58148}{4.58148+p/p_0}}}. \] Die Kurve fällt glatt ab und ist nach oben konvex; sie nähert sich \(100\%\) für \(p\to0^+\) und \(0\%\) für \(p\to\infty\).
Lösung
5.1 — Druckbezogene Gleichgewichtskonstante
Die ausgeglichene Gleichgewichtsreaktion lautet
\[ \ce{C2H5OH(g) <=> C2H4(g) + H2O(g)}. \]
Die beteiligten Stoffe sind Ethanol (CCO), Ethylen, auch Ethen genannt (C=C), und Wasser (O).
Es werden eine Zufuhr von reinem Ethanol und ideales Gasverhalten angenommen; ferner wird vorausgesetzt, dass die angegebenen Drücke die Gesamtdrücke im Gleichgewicht sind. Dabei sei \(\alpha\) der Anteil des ursprünglich vorhandenen Ethanols, der umgesetzt wird. Ausgehend von \(1\ \mathrm{mol}\) Ethanol ergibt sich:
| Stoff | Stoffmenge im Gleichgewicht (\(\mathrm{mol}\)) | Stoffmengenanteil |
|---|---|---|
| Ethanol | \(1-\alpha\) | \(\dfrac{1-\alpha}{1+\alpha}\) |
| Ethen | \(\alpha\) | \(\dfrac{\alpha}{1+\alpha}\) |
| Wasser | \(\alpha\) | \(\dfrac{\alpha}{1+\alpha}\) |
| Gesamt | \(1+\alpha\) | \(1\) |
Da \(p_i=x_i p\) gilt, lautet der Druckquotient
\[ K_p= \frac{p_{\ce{C2H4}}p_{\ce{H2O}}} {p_{\ce{C2H5OH}}} = \frac{\left(\dfrac{\alpha p}{1+\alpha}\right)^2} {\dfrac{(1-\alpha)p}{1+\alpha}} = \frac{\alpha^2p}{1-\alpha^2}. \]
Bei \(p=p_0=101.325\ \mathrm{kPa}\) beträgt der Umsatz \(\alpha_0=0.906\). Somit gilt
\[ K_p= \frac{0.906^2}{1-0.906^2} (101.325\ \mathrm{kPa}) =464.218\ \mathrm{kPa}. \]
Daher ist
\[ \boxed{K_p=464\ \mathrm{kPa}=4.58\ \mathrm{atm}}. \]
5.2 — Gleichgewichtskonstanten auf der Grundlage von Stoffmengenanteilen und Konzentrationen
Der Quotient der Stoffmengenanteile lautet
\[ K_x= \frac{x_{\ce{C2H4}}x_{\ce{H2O}}} {x_{\ce{C2H5OH}}} = \frac{\alpha^2}{1-\alpha^2}. \]
Beim angegebenen Referenzdruck gilt
\[ K_x(p_0)= \frac{0.906^2}{1-0.906^2} =4.58148, \]
also
\[ \boxed{K_x(p_0)=4.58}. \]
Hier hängt \(K_x\) vom Gesamtdruck ab: Bei konstanter Temperatur gilt
\[ K_x(p)=\frac{K_p}{p}. \]
Für den Konzentrationsquotienten gilt
\[ K_c= \frac{c_{\ce{C2H4}}c_{\ce{H2O}}} {c_{\ce{C2H5OH}}}. \]
Die Änderung der Molzahl der gasförmigen Stoffe beträgt
\[ \Delta\nu=(1+1)-1=1. \]
Mit \(p_i=c_iRT\) ergibt sich
\[ K_p=K_c(RT)^{\Delta\nu}=K_cRT. \]
Mit \(R=8.31446\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}}\) folgt
\[ K_c= \frac{464.218\ \mathrm{kPa}} {(8.31446\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}}) (400\ \mathrm{K})} =0.139582\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
Somit ist
\[ \boxed{K_c=0.140\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}. \]
5.3 — Umsatz bei den angegebenen Drücken
Bei konstanter Temperatur bleibt \(K_p\) unverändert. Durch Umstellen von
\[ K_p=\frac{\alpha^2p}{1-\alpha^2} \]
erhält man
\[ K_p=\alpha^2(K_p+p), \qquad \boxed{\alpha=\sqrt{\frac{K_p}{K_p+p}}}. \]
Mit der Schreibweise \(r=p/p_0\) und unter Verwendung von \(K_p/p_0=4.58148\) ergibt sich
\[ \alpha(r)=\sqrt{\frac{4.58148}{4.58148+r}}. \]
Die sich daraus ergebenden Umsätze sind:
| Druck | Druck (\(\mathrm{kPa}\)) | Ethanolumsatz (mol %) |
|---|---|---|
| \(5p_0\) | \(506.625\) | \(69.1\) |
| \(10p_0\) | \(1013.25\) | \(56.1\) |
| \(50p_0\) | \(5066.25\) | \(29.0\) |
| \(100p_0\) | \(10132.5\) | \(20.9\) |
| \(200p_0\) | \(20265\) | \(15.0\) |
Die Hinreaktion setzt ein Mol Gas in zwei Mol Gas um. Eine Druckerhöhung begünstigt daher Ethanol und verringert dessen Gleichgewichtsumsatz.
5.4 — Beschreibung des Graphen
Tragen Sie den Gesamtdruck \(p/p_0\) auf der horizontalen Achse von \(0\) bis \(200\) und den Ethanolumsatz in mol % auf der vertikalen Achse von \(0\) bis \(100\) auf.
Zeichnen Sie die glatte Kurve
\[ y=100\sqrt{\frac{4.58148}{4.58148+p/p_0}} \]
durch den Referenzpunkt \((1,90.6)\) und die fünf berechneten Punkte:
\[ (5,69.1),\quad (10,56.1),\quad (50,29.0),\quad (100,20.9),\quad (200,15.0). \]
Die Kurve nähert sich \((0,100)\), wenn der Druck gegen null geht. Sie fällt bei niedrigem Druck steil ab und wird zunehmend flacher; sie ist durchgehend nach oben konvex. Bei unbegrenzt zunehmendem Druck nähert sich der Umsatz asymptotisch null.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen. Wo diese Lösung von der offiziellen Lösung abweicht, enthält die offizielle Lösung einen Fehler oder Druckfehler.
IChO 1983 · Teori sorusu 5
Etanolün dehidrasyon dengesi ve basınca bağımlılığı
Etanol 400 K'de bir katalizör üzerinden geçirildiğinde, etilen oluşumuyla sonuçlanan bir dehidrasyon tepkimesi gerçekleşir:

Yukarıdaki sıcaklıkta ve \(p_0 = 101.325\ \mathrm{kPa}\) basıncında etil alkolün dönüşümü molce %90.6'dır.
5.1 Verilen koşullarda tepkimenin denge sabiti \(K_p\)'yi hesaplayınız.
5.2 Yukarıdaki sıcaklıkta \(K_x\) ve \(K_c\) denge sabitlerinin değerlerini hesaplayınız.
5.3 Aşağıdaki basınçlarda etanol dönüşümünü hesaplayınız:
\(5p_0\), \(10p_0\), \(50p_0\), \(100p_0\) ve \(200p_0\).
5.4 Dönüşümün basınca bağlı değişiminin grafiğini çiziniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
Aşağıdaki sabitlerde, çözümde tanımlanan normalize edilmemiş basınç ve derişim oranları kullanılmıştır.
- 5.1 \(\boxed{K_p=4.64\times10^2\ \mathrm{kPa}=4.58\ \mathrm{atm}}\).
- 5.2 \(p=p_0\) basıncında \(\boxed{K_x=4.58}\); \(400\ \mathrm{K}\) sıcaklığında \(\boxed{K_c=0.140\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}\).
- 5.3 \(5p_0,\ 10p_0,\ 50p_0,\ 100p_0,\ 200p_0\) basınçlarındaki denge dönüşümleri sırasıyla \(\boxed{69.1\%,\ 56.1\%,\ 29.0\%,\ 20.9\%,\ 15.0\%}\) olur.
- 5.4 Şu bağıntının grafiğini çiziniz: \[ \boxed{\text{Dönüşüm (\%)}= 100\sqrt{\frac{4.58148}{4.58148+p/p_0}}}. \] Eğri düzgün biçimde azalır ve yukarı doğru dışbükeydir; \(p\to0^+\) iken \(100\%\)'e, \(p\to\infty\) iken \(0\%\)'a yaklaşır.
Çözüm
5.1 — Basınç cinsinden denge sabiti
Denkleştirilmiş denge tepkimesi şöyledir:
\[ \ce{C2H5OH(g) <=> C2H4(g) + H2O(g)}. \]
Türler etanol (CCO), eten olarak da adlandırılan etilen (C=C) ve sudur (O).
Beslemenin saf etanol olduğunu, gazların ideal gaz davranışı gösterdiğini ve belirtilen basınçların toplam denge basınçları olduğunu varsayalım. Başlangıçtaki etanolün dönüşen kesri \(\alpha\) olsun. Başlangıçta \(1\ \mathrm{mol}\) etanol alındığında şu değerler elde edilir:
| Tür | Dengedeki miktar (\(\mathrm{mol}\)) | Mol kesri |
|---|---|---|
| Etanol | \(1-\alpha\) | \(\dfrac{1-\alpha}{1+\alpha}\) |
| Etilen | \(\alpha\) | \(\dfrac{\alpha}{1+\alpha}\) |
| Su | \(\alpha\) | \(\dfrac{\alpha}{1+\alpha}\) |
| Toplam | \(1+\alpha\) | \(1\) |
\(p_i=x_i p\) olduğundan, basınçlar cinsinden oran şöyledir:
\[ K_p= \frac{p_{\ce{C2H4}}p_{\ce{H2O}}} {p_{\ce{C2H5OH}}} = \frac{\left(\dfrac{\alpha p}{1+\alpha}\right)^2} {\dfrac{(1-\alpha)p}{1+\alpha}} = \frac{\alpha^2p}{1-\alpha^2}. \]
\(p=p_0=101.325\ \mathrm{kPa}\) basıncında dönüşüm \(\alpha_0=0.906\)'dır. Dolayısıyla
\[ K_p= \frac{0.906^2}{1-0.906^2} (101.325\ \mathrm{kPa}) =464.218\ \mathrm{kPa}. \]
Böylece,
\[ \boxed{K_p=464\ \mathrm{kPa}=4.58\ \mathrm{atm}}. \]
5.2 — Mol kesri ve derişim cinsinden denge sabitleri
Mol kesirleri cinsinden oran şöyledir:
\[ K_x= \frac{x_{\ce{C2H4}}x_{\ce{H2O}}} {x_{\ce{C2H5OH}}} = \frac{\alpha^2}{1-\alpha^2}. \]
Belirtilen referans basıncında,
\[ K_x(p_0)= \frac{0.906^2}{1-0.906^2} =4.58148, \]
dolayısıyla
\[ \boxed{K_x(p_0)=4.58}. \]
Burada \(K_x\) toplam basınca bağlıdır: sabit sıcaklıkta,
\[ K_x(p)=\frac{K_p}{p}. \]
Derişimler cinsinden oran için,
\[ K_c= \frac{c_{\ce{C2H4}}c_{\ce{H2O}}} {c_{\ce{C2H5OH}}}. \]
Gazların toplam mol sayısındaki değişim şöyledir:
\[ \Delta\nu=(1+1)-1=1. \]
\(p_i=c_iRT\) bağıntısı kullanıldığında,
\[ K_p=K_c(RT)^{\Delta\nu}=K_cRT. \]
\(R=8.31446\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}}\) alınırsa,
\[ K_c= \frac{464.218\ \mathrm{kPa}} {(8.31446\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}}) (400\ \mathrm{K})} =0.139582\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
Böylece
\[ \boxed{K_c=0.140\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}. \]
5.3 — Belirtilen basınçlardaki dönüşüm
Sabit sıcaklıkta \(K_p\) değişmez. Şu bağıntı yeniden düzenlendiğinde
\[ K_p=\frac{\alpha^2p}{1-\alpha^2} \]
şu sonuç elde edilir:
\[ K_p=\alpha^2(K_p+p), \qquad \boxed{\alpha=\sqrt{\frac{K_p}{K_p+p}}}. \]
\(r=p/p_0\) yazılıp \(K_p/p_0=4.58148\) kullanıldığında,
\[ \alpha(r)=\sqrt{\frac{4.58148}{4.58148+r}}. \]
Elde edilen dönüşümler şöyledir:
| Basınç | Basınç (\(\mathrm{kPa}\)) | Etanol dönüşümü (mol %) |
|---|---|---|
| \(5p_0\) | \(506.625\) | \(69.1\) |
| \(10p_0\) | \(1013.25\) | \(56.1\) |
| \(50p_0\) | \(5066.25\) | \(29.0\) |
| \(100p_0\) | \(10132.5\) | \(20.9\) |
| \(200p_0\) | \(20265\) | \(15.0\) |
İleri yöndeki tepkime bir mol gazı iki mol gaza dönüştürür. Bu nedenle basıncın artırılması dengeyi etanol lehine kaydırır ve etanolün denge dönüşümünü azaltır.
5.4 — Grafiğin açıklaması
Yatay eksende \(0\)'dan \(200\)'e kadar toplam basıncı \(p/p_0\) cinsinden, düşey eksende ise \(0\)'dan \(100\)'e kadar etanol dönüşümünü mol % cinsinden gösteriniz.
Şu düzgün eğriyi
\[ y=100\sqrt{\frac{4.58148}{4.58148+p/p_0}} \]
\((1,90.6)\) referans noktasından ve hesaplanan beş noktadan geçecek biçimde çiziniz:
\[ (5,69.1),\quad (10,56.1),\quad (50,29.0),\quad (100,20.9),\quad (200,15.0). \]
Basınç sıfıra yaklaşırken eğri \((0,100)\) noktasına yaklaşır. Düşük basınçta dik biçimde düşer ve giderek yatıklaşır; eğrinin tamamı yukarı doğru dışbükeydir. Basınç sınırsız biçimde arttığında dönüşüm asimptotik olarak sıfıra yaklaşır.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi. Bu çözümün resmi çözümden ayrıldığı yerlerde resmi çözümde bir hata ya da baskı hatası vardır.
IChO 1983 · Problema teórico 5
Equilibrio de deshidratación del etanol y su dependencia de la presión
Al hacer pasar etanol sobre un catalizador a 400 K, se produce una reacción de deshidratación que da lugar a la formación de etileno:

A la temperatura indicada y a \(p_0 = 101.325\ \mathrm{kPa}\), la conversión del alcohol etílico es del 90.6 mol %.
5.1 Calcule la constante de equilibrio \(K_p\) de la reacción en las condiciones dadas.
5.2 Calcule los valores de las constantes de equilibrio \(K_x\) y \(K_c\) a la temperatura indicada.
5.3 Calcule la conversión del etanol a las siguientes presiones:
\(5p_0\), \(10p_0\), \(50p_0\), \(100p_0\) y \(200p_0\).
5.4 Trace la gráfica de la variación de la conversión en función de la presión.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
Las constantes que se presentan a continuación utilizan los cocientes de presiones y concentraciones sin normalizar definidos en la solución.
- 5.1 \(\boxed{K_p=4.64\times10^2\ \mathrm{kPa}=4.58\ \mathrm{atm}}\).
- 5.2 A \(p=p_0\), \(\boxed{K_x=4.58}\); a \(400\ \mathrm{K}\), \(\boxed{K_c=0.140\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}\).
- 5.3 Las conversiones de equilibrio a \(5p_0,\ 10p_0,\ 50p_0,\ 100p_0,\ 200p_0\) son, respectivamente, \(\boxed{69.1\%,\ 56.1\%,\ 29.0\%,\ 20.9\%,\ 15.0\%}\).
- 5.4 Represente gráficamente \[ \boxed{\text{Conversión (\%)}= 100\sqrt{\frac{4.58148}{4.58148+p/p_0}}}. \] La curva decrece suavemente y es convexa hacia arriba; se aproxima al \(100\%\) cuando \(p\to0^+\) y al \(0\%\) cuando \(p\to\infty\).
Solución
5.1 — Constante de equilibrio en función de las presiones
La ecuación ajustada del equilibrio es
\[ \ce{C2H5OH(g) <=> C2H4(g) + H2O(g)}. \]
Las especies son etanol (CCO), etileno, también llamado eteno (C=C), y agua (O).
Se supone una alimentación de etanol puro, un comportamiento de gas ideal y que las presiones indicadas son las presiones totales de equilibrio. Sea \(\alpha\) la fracción del etanol inicial que se ha convertido. Partiendo de \(1\ \mathrm{mol}\) de etanol se obtiene:
| Especie | Cantidad en el equilibrio (\(\mathrm{mol}\)) | Fracción molar |
|---|---|---|
| Etanol | \(1-\alpha\) | \(\dfrac{1-\alpha}{1+\alpha}\) |
| Etileno | \(\alpha\) | \(\dfrac{\alpha}{1+\alpha}\) |
| Agua | \(\alpha\) | \(\dfrac{\alpha}{1+\alpha}\) |
| Total | \(1+\alpha\) | \(1\) |
Puesto que \(p_i=x_i p\), el cociente de presiones es
\[ K_p= \frac{p_{\ce{C2H4}}p_{\ce{H2O}}} {p_{\ce{C2H5OH}}} = \frac{\left(\dfrac{\alpha p}{1+\alpha}\right)^2} {\dfrac{(1-\alpha)p}{1+\alpha}} = \frac{\alpha^2p}{1-\alpha^2}. \]
A \(p=p_0=101.325\ \mathrm{kPa}\), la conversión es \(\alpha_0=0.906\). Por tanto,
\[ K_p= \frac{0.906^2}{1-0.906^2} (101.325\ \mathrm{kPa}) =464.218\ \mathrm{kPa}. \]
Por consiguiente,
\[ \boxed{K_p=464\ \mathrm{kPa}=4.58\ \mathrm{atm}}. \]
5.2 — Constantes de equilibrio en función de las fracciones molares y las concentraciones
El cociente de fracciones molares es
\[ K_x= \frac{x_{\ce{C2H4}}x_{\ce{H2O}}} {x_{\ce{C2H5OH}}} = \frac{\alpha^2}{1-\alpha^2}. \]
A la presión de referencia especificada,
\[ K_x(p_0)= \frac{0.906^2}{1-0.906^2} =4.58148, \]
por lo que
\[ \boxed{K_x(p_0)=4.58}. \]
Aquí \(K_x\) depende de la presión total: a temperatura fija,
\[ K_x(p)=\frac{K_p}{p}. \]
Para el cociente de concentraciones,
\[ K_c= \frac{c_{\ce{C2H4}}c_{\ce{H2O}}} {c_{\ce{C2H5OH}}}. \]
La variación del número de moles gaseosos es
\[ \Delta\nu=(1+1)-1=1. \]
Utilizando \(p_i=c_iRT\),
\[ K_p=K_c(RT)^{\Delta\nu}=K_cRT. \]
Con \(R=8.31446\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}}\),
\[ K_c= \frac{464.218\ \mathrm{kPa}} {(8.31446\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}}) (400\ \mathrm{K})} =0.139582\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
Por tanto,
\[ \boxed{K_c=0.140\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}. \]
5.3 — Conversión a las presiones especificadas
A temperatura constante, \(K_p\) permanece invariable. Al reorganizar
\[ K_p=\frac{\alpha^2p}{1-\alpha^2} \]
se obtiene
\[ K_p=\alpha^2(K_p+p), \qquad \boxed{\alpha=\sqrt{\frac{K_p}{K_p+p}}}. \]
Escribiendo \(r=p/p_0\) y utilizando \(K_p/p_0=4.58148\),
\[ \alpha(r)=\sqrt{\frac{4.58148}{4.58148+r}}. \]
Las conversiones resultantes son:
| Presión | Presión (\(\mathrm{kPa}\)) | Conversión del etanol (mol %) |
|---|---|---|
| \(5p_0\) | \(506.625\) | \(69.1\) |
| \(10p_0\) | \(1013.25\) | \(56.1\) |
| \(50p_0\) | \(5066.25\) | \(29.0\) |
| \(100p_0\) | \(10132.5\) | \(20.9\) |
| \(200p_0\) | \(20265\) | \(15.0\) |
La reacción directa convierte un mol de gas en dos. Por ello, el aumento de la presión favorece al etanol y reduce su conversión de equilibrio.
5.4 — Descripción de la gráfica
Utilice la presión total \(p/p_0\) en el eje horizontal, de \(0\) a \(200\), y la conversión del etanol en mol % en el eje vertical, de \(0\) a \(100\).
Trace la curva suave
\[ y=100\sqrt{\frac{4.58148}{4.58148+p/p_0}} \]
que pasa por el punto de referencia \((1,90.6)\) y los cinco puntos calculados:
\[ (5,69.1),\quad (10,56.1),\quad (50,29.0),\quad (100,20.9),\quad (200,15.0). \]
La curva se aproxima a \((0,100)\) cuando la presión tiende a cero. Desciende pronunciadamente a bajas presiones y se aplana progresivamente; es convexa hacia arriba en todo su recorrido. Cuando la presión aumenta indefinidamente, la conversión se aproxima asintóticamente a cero.
La solución se comprobó con la solución oficial. Donde esta solución difiere de la solución oficial, la solución oficial contiene un error o una errata.
IChO 1983 · 理论题 5
乙醇脱水平衡及其压力依赖性
使乙醇在 400 K 下通过催化剂时,会发生脱水反应,生成乙烯:

在上述温度及 \(p_0 = 101.325\ \mathrm{kPa}\) 下,乙醇的转化率为 90.6 mol %。
5.1 计算给定条件下该反应的平衡常数 \(K_p\)。
5.2 计算上述温度下平衡常数 \(K_x\) 和 \(K_c\) 的值。
5.3 计算下列压力下乙醇的转化率:
\(5p_0\)、\(10p_0\)、\(50p_0\)、\(100p_0\) 和 \(200p_0\)。
5.4 绘制转化率随压力变化的曲线。
题目译自官方英文原文。
答案
下列常数采用解答中定义的未经归一化的压力商和浓度商。
- 5.1 \(\boxed{K_p=4.64\times10^2\ \mathrm{kPa}=4.58\ \mathrm{atm}}\)。
- 5.2 在 \(p=p_0\) 时,\(\boxed{K_x=4.58}\);在 \(400\ \mathrm{K}\) 时,\(\boxed{K_c=0.140\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}\)。
- 5.3 在 \(5p_0,\ 10p_0,\ 50p_0,\ 100p_0,\ 200p_0\) 下,平衡转化率分别为 \(\boxed{69.1\%,\ 56.1\%,\ 29.0\%,\ 20.9\%,\ 15.0\%}\)。
- 5.4 绘制曲线 \[ \boxed{\text{转化率 (\%)}= 100\sqrt{\frac{4.58148}{4.58148+p/p_0}}}. \] 该曲线平滑下降,且向上凸;当 \(p\to0^+\) 时,转化率趋近于 \(100\%\),当 \(p\to\infty\) 时,转化率趋近于 \(0\%\)。
解答
5.1 — 压力平衡常数
配平后的平衡反应方程式为
\[ \ce{C2H5OH(g) <=> C2H4(g) + H2O(g)}. \]
各物种为乙醇(CCO)、乙烯(英文称 ethylene,也称 ethene;C=C)和水(O)。
假设进料为纯乙醇,气体具有理想气体行为,且所给压力均为平衡时的总压。令 \(\alpha\) 为初始乙醇中发生转化的比例。从 \(1\ \mathrm{mol}\) 乙醇开始,可得:
| 物种 | 平衡时的物质的量(\(\mathrm{mol}\)) | 摩尔分数 |
|---|---|---|
| 乙醇 | \(1-\alpha\) | \(\dfrac{1-\alpha}{1+\alpha}\) |
| 乙烯 | \(\alpha\) | \(\dfrac{\alpha}{1+\alpha}\) |
| 水 | \(\alpha\) | \(\dfrac{\alpha}{1+\alpha}\) |
| 总计 | \(1+\alpha\) | \(1\) |
由于 \(p_i=x_i p\),压力商为
\[ K_p= \frac{p_{\ce{C2H4}}p_{\ce{H2O}}} {p_{\ce{C2H5OH}}} = \frac{\left(\dfrac{\alpha p}{1+\alpha}\right)^2} {\dfrac{(1-\alpha)p}{1+\alpha}} = \frac{\alpha^2p}{1-\alpha^2}. \]
在 \(p=p_0=101.325\ \mathrm{kPa}\) 时,转化率为 \(\alpha_0=0.906\)。因此
\[ K_p= \frac{0.906^2}{1-0.906^2} (101.325\ \mathrm{kPa}) =464.218\ \mathrm{kPa}. \]
所以,
\[ \boxed{K_p=464\ \mathrm{kPa}=4.58\ \mathrm{atm}}. \]
5.2 — 摩尔分数平衡常数和浓度平衡常数
摩尔分数商为
\[ K_x= \frac{x_{\ce{C2H4}}x_{\ce{H2O}}} {x_{\ce{C2H5OH}}} = \frac{\alpha^2}{1-\alpha^2}. \]
在指定的参考压力下,
\[ K_x(p_0)= \frac{0.906^2}{1-0.906^2} =4.58148, \]
所以
\[ \boxed{K_x(p_0)=4.58}. \]
这里,\(K_x\) 取决于总压:在温度一定时,
\[ K_x(p)=\frac{K_p}{p}. \]
对于浓度商,
\[ K_c= \frac{c_{\ce{C2H4}}c_{\ce{H2O}}} {c_{\ce{C2H5OH}}}. \]
气体物质的量的变化为
\[ \Delta\nu=(1+1)-1=1. \]
利用 \(p_i=c_iRT\),可得
\[ K_p=K_c(RT)^{\Delta\nu}=K_cRT. \]
取 \(R=8.31446\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}}\),
\[ K_c= \frac{464.218\ \mathrm{kPa}} {(8.31446\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}}) (400\ \mathrm{K})} =0.139582\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
因此
\[ \boxed{K_c=0.140\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}. \]
5.3 — 指定压力下的转化率
温度不变时,\(K_p\) 保持不变。将
\[ K_p=\frac{\alpha^2p}{1-\alpha^2} \]
整理得
\[ K_p=\alpha^2(K_p+p), \qquad \boxed{\alpha=\sqrt{\frac{K_p}{K_p+p}}}. \]
令 \(r=p/p_0\),并利用 \(K_p/p_0=4.58148\),可得
\[ \alpha(r)=\sqrt{\frac{4.58148}{4.58148+r}}. \]
所得转化率如下:
| 压力 | 压力(\(\mathrm{kPa}\)) | 乙醇转化率(mol %) |
|---|---|---|
| \(5p_0\) | \(506.625\) | \(69.1\) |
| \(10p_0\) | \(1013.25\) | \(56.1\) |
| \(50p_0\) | \(5066.25\) | \(29.0\) |
| \(100p_0\) | \(10132.5\) | \(20.9\) |
| \(200p_0\) | \(20265\) | \(15.0\) |
正反应将一摩尔气体转化为两摩尔气体。因此,增大压力有利于生成乙醇,并降低其平衡转化率。
5.4 — 图像说明
以总压 \(p/p_0\) 为横轴,范围从 \(0\) 到 \(200\);以乙醇转化率(mol %)为纵轴,范围从 \(0\) 到 \(100\)。
绘制平滑曲线
\[ y=100\sqrt{\frac{4.58148}{4.58148+p/p_0}} \]
使其通过参考点 \((1,90.6)\) 和计算得到的五个点:
\[ (5,69.1),\quad (10,56.1),\quad (50,29.0),\quad (100,20.9),\quad (200,15.0). \]
当压力趋于零时,曲线趋近于 \((0,100)\)。曲线在低压下陡降,随后逐渐变得平缓;整条曲线均向上凸。当压力无限增大时,转化率渐近于零。
解答已与官方解答核对。本解答与官方解答不同之处,均为官方解答中的错误或印刷错误。
IChO 1983 · Теоретическая задача 5
Равновесие дегидратации этанола и его зависимость от давления
При пропускании этанола над катализатором при 400 K протекает реакция дегидратации, приводящая к образованию этилена:

При указанной температуре и \(p_0 = 101.325\ \mathrm{kPa}\) степень превращения этилового спирта составляет 90.6 мол. %.
5.1 Рассчитайте константу равновесия \(K_p\) реакции в данных условиях.
5.2 Рассчитайте значения констант равновесия \(K_x\) и \(K_c\) при указанной температуре.
5.3 Рассчитайте степень превращения этанола при следующих давлениях:
\(5p_0\), \(10p_0\), \(50p_0\), \(100p_0\) и \(200p_0\).
5.4 Постройте график зависимости степени превращения от давления.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
Приведённые ниже константы выражены через ненормированные отношения давлений и концентраций, определённые в решении.
- 5.1 \(\boxed{K_p=4.64\times10^2\ \mathrm{kPa}=4.58\ \mathrm{atm}}\).
- 5.2 При \(p=p_0\) \(\boxed{K_x=4.58}\); при \(400\ \mathrm{K}\) \(\boxed{K_c=0.140\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}\).
- 5.3 Равновесные степени превращения при \(5p_0,\ 10p_0,\ 50p_0,\ 100p_0,\ 200p_0\) составляют соответственно \(\boxed{69.1\%,\ 56.1\%,\ 29.0\%,\ 20.9\%,\ 15.0\%}\).
- 5.4 Постройте график \[ \boxed{\text{Степень превращения (\%)}= 100\sqrt{\frac{4.58148}{4.58148+p/p_0}}}. \] Кривая плавно убывает и выпукла вниз, приближаясь к \(100\%\) при \(p\to0^+\) и к \(0\%\) при \(p\to\infty\).
Решение
5.1 — Константа равновесия, выраженная через давления
Уравнение равновесной реакции с расставленными коэффициентами:
\[ \ce{C2H5OH(g) <=> C2H4(g) + H2O(g)}. \]
В реакции участвуют этанол (CCO), этилен, также называемый этеном (C=C), и вода (O).
Предположим, что исходное вещество — чистый этанол, газы ведут себя как идеальные, а указанные давления представляют собой общие давления в состоянии равновесия. Пусть \(\alpha\) — доля исходного этанола, вступившего в реакцию. Если исходно взят \(1\ \mathrm{mol}\) этанола, получаем:
| Вещество | Равновесное количество (\(\mathrm{mol}\)) | Мольная доля |
|---|---|---|
| Этанол | \(1-\alpha\) | \(\dfrac{1-\alpha}{1+\alpha}\) |
| Этилен | \(\alpha\) | \(\dfrac{\alpha}{1+\alpha}\) |
| Вода | \(\alpha\) | \(\dfrac{\alpha}{1+\alpha}\) |
| Всего | \(1+\alpha\) | \(1\) |
Поскольку \(p_i=x_i p\), отношение парциальных давлений имеет вид
\[ K_p= \frac{p_{\ce{C2H4}}p_{\ce{H2O}}} {p_{\ce{C2H5OH}}} = \frac{\left(\dfrac{\alpha p}{1+\alpha}\right)^2} {\dfrac{(1-\alpha)p}{1+\alpha}} = \frac{\alpha^2p}{1-\alpha^2}. \]
При \(p=p_0=101.325\ \mathrm{kPa}\) степень превращения равна \(\alpha_0=0.906\). Следовательно,
\[ K_p= \frac{0.906^2}{1-0.906^2} (101.325\ \mathrm{kPa}) =464.218\ \mathrm{kPa}. \]
Таким образом,
\[ \boxed{K_p=464\ \mathrm{kPa}=4.58\ \mathrm{atm}}. \]
5.2 — Константы равновесия, выраженные через мольные доли и концентрации
Отношение мольных долей имеет вид
\[ K_x= \frac{x_{\ce{C2H4}}x_{\ce{H2O}}} {x_{\ce{C2H5OH}}} = \frac{\alpha^2}{1-\alpha^2}. \]
При заданном опорном давлении
\[ K_x(p_0)= \frac{0.906^2}{1-0.906^2} =4.58148, \]
поэтому
\[ \boxed{K_x(p_0)=4.58}. \]
Здесь \(K_x\) зависит от общего давления: при постоянной температуре
\[ K_x(p)=\frac{K_p}{p}. \]
Для отношения концентраций
\[ K_c= \frac{c_{\ce{C2H4}}c_{\ce{H2O}}} {c_{\ce{C2H5OH}}}. \]
Изменение числа молей газообразных веществ составляет
\[ \Delta\nu=(1+1)-1=1. \]
Используя \(p_i=c_iRT\), получаем
\[ K_p=K_c(RT)^{\Delta\nu}=K_cRT. \]
При \(R=8.31446\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}}\)
\[ K_c= \frac{464.218\ \mathrm{kPa}} {(8.31446\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}}) (400\ \mathrm{K})} =0.139582\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
Отсюда
\[ \boxed{K_c=0.140\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}. \]
5.3 — Степень превращения при заданных давлениях
При постоянной температуре \(K_p\) остаётся неизменной. Преобразуя выражение
\[ K_p=\frac{\alpha^2p}{1-\alpha^2} \]
получаем
\[ K_p=\alpha^2(K_p+p), \qquad \boxed{\alpha=\sqrt{\frac{K_p}{K_p+p}}}. \]
Обозначая \(r=p/p_0\) и используя \(K_p/p_0=4.58148\), получаем
\[ \alpha(r)=\sqrt{\frac{4.58148}{4.58148+r}}. \]
Полученные степени превращения:
| Давление | Давление (\(\mathrm{kPa}\)) | Степень превращения этанола (мол. %) |
|---|---|---|
| \(5p_0\) | \(506.625\) | \(69.1\) |
| \(10p_0\) | \(1013.25\) | \(56.1\) |
| \(50p_0\) | \(5066.25\) | \(29.0\) |
| \(100p_0\) | \(10132.5\) | \(20.9\) |
| \(200p_0\) | \(20265\) | \(15.0\) |
В прямой реакции один моль газа превращается в два. Поэтому повышение давления смещает равновесие в сторону этанола и снижает его равновесную степень превращения.
5.4 — Описание графика
По горизонтальной оси отложите общее давление \(p/p_0\) от \(0\) до \(200\), а по вертикальной — степень превращения этанола в мол. % от \(0\) до \(100\).
Проведите плавную кривую
\[ y=100\sqrt{\frac{4.58148}{4.58148+p/p_0}} \]
через опорную точку \((1,90.6)\) и пять рассчитанных точек:
\[ (5,69.1),\quad (10,56.1),\quad (50,29.0),\quad (100,20.9),\quad (200,15.0). \]
При стремлении давления к нулю кривая приближается к \((0,100)\). При низком давлении она резко убывает, а затем постепенно становится более пологой; на всём протяжении она выпукла вниз. При неограниченном увеличении давления степень превращения асимптотически стремится к нулю.
Решение проверено по официальному решению. Там, где это решение расходится с официальным, в официальном решении есть ошибка или опечатка.
IChO 1983 · مسألة نظرية 5
اتزان نزع الماء من الإيثانول واعتماده على الضغط
عند إمرار الإيثانول فوق حفاز عند 400 K، يحدث تفاعل نزع ماء يؤدي إلى تكوّن الإيثيلين:

عند درجة الحرارة المذكورة أعلاه و\(p_0 = 101.325\ \mathrm{kPa}\)، تبلغ نسبة تحوّل الكحول الإيثيلي 90.6 % مولية.
5.1 احسب ثابت الاتزان \(K_p\) للتفاعل في الظروف المعطاة.
5.2 احسب قيمتي ثابتي الاتزان \(K_x\) و\(K_c\) عند درجة الحرارة المذكورة أعلاه.
5.3 احسب نسبة تحوّل الإيثانول عند الضغوط الآتية:
\(5p_0\)، \(10p_0\)، \(50p_0\)، \(100p_0\)، و\(200p_0\).
5.4 ارسم المنحنى البياني لتغيّر نسبة التحوّل بدلالة الضغط.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
تُستخدم في الثوابت أدناه نسب الضغوط والتراكيز غير المُطبَّعة المعرَّفة في الحل.
- 5.1 \(\boxed{K_p=4.64\times10^2\ \mathrm{kPa}=4.58\ \mathrm{atm}}\).
- 5.2 عند \(p=p_0\)، \(\boxed{K_x=4.58}\)؛ وعند \(400\ \mathrm{K}\)، \(\boxed{K_c=0.140\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}\).
- 5.3 نسب التحوّل عند الاتزان عند الضغوط \(5p_0,\ 10p_0,\ 50p_0,\ 100p_0,\ 200p_0\) هي، على الترتيب، \(\boxed{69.1\%,\ 56.1\%,\ 29.0\%,\ 20.9\%,\ 15.0\%}\).
- 5.4 ارسم \[ \boxed{\text{نسبة التحوّل (\%)}= 100\sqrt{\frac{4.58148}{4.58148+p/p_0}}}. \] يتناقص المنحنى بسلاسة ويكون محدّبًا نحو الأعلى، مقتربًا من \(100\%\) عندما \(p\to0^+\)، ومن \(0\%\) عندما \(p\to\infty\).
الحل
5.1 — ثابت الاتزان بدلالة الضغط
معادلة الاتزان الموزونة هي
\[ \ce{C2H5OH(g) <=> C2H4(g) + H2O(g)}. \]
الأنواع الكيميائية هي الإيثانول (CCO)، والإيثيلين، الذي يُسمّى أيضًا الإيثين (C=C)، والماء (O).
نفترض أن مادة التغذية إيثانول نقي، وأن الغازات تسلك سلوك الغاز المثالي، وأن الضغوط المذكورة هي الضغوط الكلية عند الاتزان. لتكن \(\alpha\) الكسر المتحوّل من كمية الإيثانول الابتدائية. عند البدء بـ \(1\ \mathrm{mol}\) من الإيثانول نحصل على:
| النوع الكيميائي | الكمية عند الاتزان (\(\mathrm{mol}\)) | الكسر المولي |
|---|---|---|
| الإيثانول | \(1-\alpha\) | \(\dfrac{1-\alpha}{1+\alpha}\) |
| الإيثيلين | \(\alpha\) | \(\dfrac{\alpha}{1+\alpha}\) |
| الماء | \(\alpha\) | \(\dfrac{\alpha}{1+\alpha}\) |
| المجموع | \(1+\alpha\) | \(1\) |
بما أن \(p_i=x_i p\)، فإن نسبة الضغوط هي
\[ K_p= \frac{p_{\ce{C2H4}}p_{\ce{H2O}}} {p_{\ce{C2H5OH}}} = \frac{\left(\dfrac{\alpha p}{1+\alpha}\right)^2} {\dfrac{(1-\alpha)p}{1+\alpha}} = \frac{\alpha^2p}{1-\alpha^2}. \]
عند \(p=p_0=101.325\ \mathrm{kPa}\)، يكون الكسر المتحوّل \(\alpha_0=0.906\). ومن ثم
\[ K_p= \frac{0.906^2}{1-0.906^2} (101.325\ \mathrm{kPa}) =464.218\ \mathrm{kPa}. \]
إذن،
\[ \boxed{K_p=464\ \mathrm{kPa}=4.58\ \mathrm{atm}}. \]
5.2 — ثابتا الاتزان بدلالة الكسر المولي والتركيز
نسبة الكسور المولية هي
\[ K_x= \frac{x_{\ce{C2H4}}x_{\ce{H2O}}} {x_{\ce{C2H5OH}}} = \frac{\alpha^2}{1-\alpha^2}. \]
عند الضغط المرجعي المحدّد،
\[ K_x(p_0)= \frac{0.906^2}{1-0.906^2} =4.58148, \]
وعليه
\[ \boxed{K_x(p_0)=4.58}. \]
يعتمد \(K_x\) هنا على الضغط الكلي: فعند ثبوت درجة الحرارة،
\[ K_x(p)=\frac{K_p}{p}. \]
أما نسبة التراكيز فهي
\[ K_c= \frac{c_{\ce{C2H4}}c_{\ce{H2O}}} {c_{\ce{C2H5OH}}}. \]
التغيّر في عدد مولات الغازات هو
\[ \Delta\nu=(1+1)-1=1. \]
باستخدام \(p_i=c_iRT\)،
\[ K_p=K_c(RT)^{\Delta\nu}=K_cRT. \]
وبأخذ \(R=8.31446\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}}\)،
\[ K_c= \frac{464.218\ \mathrm{kPa}} {(8.31446\ \mathrm{kPa\,L\,mol^{-1}\,K^{-1}}) (400\ \mathrm{K})} =0.139582\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
ومن ثم
\[ \boxed{K_c=0.140\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}. \]
5.3 — نسبة التحوّل عند الضغوط المحدّدة
عند ثبوت درجة الحرارة، يبقى \(K_p\) دون تغيير. وبإعادة ترتيب
\[ K_p=\frac{\alpha^2p}{1-\alpha^2} \]
نحصل على
\[ K_p=\alpha^2(K_p+p), \qquad \boxed{\alpha=\sqrt{\frac{K_p}{K_p+p}}}. \]
بكتابة \(r=p/p_0\)، واستخدام \(K_p/p_0=4.58148\)،
\[ \alpha(r)=\sqrt{\frac{4.58148}{4.58148+r}}. \]
نسب التحوّل الناتجة هي:
| الضغط | الضغط (\(\mathrm{kPa}\)) | نسبة تحوّل الإيثانول (% مولية) |
|---|---|---|
| \(5p_0\) | \(506.625\) | \(69.1\) |
| \(10p_0\) | \(1013.25\) | \(56.1\) |
| \(50p_0\) | \(5066.25\) | \(29.0\) |
| \(100p_0\) | \(10132.5\) | \(20.9\) |
| \(200p_0\) | \(20265\) | \(15.0\) |
يحوّل التفاعل الأمامي مولًا واحدًا من الغاز إلى مولين. لذلك ترجّح زيادة الضغط تكوّن الإيثانول وتقلّل نسبة تحوّله عند الاتزان.
5.4 — وصف الرسم البياني
مثّل الضغط الكلي \(p/p_0\) على المحور الأفقي، من \(0\) إلى \(200\)، ونسبة تحوّل الإيثانول بالنسبة المئوية المولية على المحور الرأسي، من \(0\) إلى \(100\).
ارسم المنحنى الأملس
\[ y=100\sqrt{\frac{4.58148}{4.58148+p/p_0}} \]
بحيث يمرّ بالنقطة المرجعية \((1,90.6)\) وبالنقاط الخمس المحسوبة:
\[ (5,69.1),\quad (10,56.1),\quad (50,29.0),\quad (100,20.9),\quad (200,15.0). \]
يقترب المنحنى من \((0,100)\) عندما يؤول الضغط إلى الصفر. وينخفض بشدة عند الضغوط المنخفضة، ثم يصبح أكثر تسطّحًا تدريجيًا؛ وهو محدّب نحو الأعلى على امتداده. وعندما يزداد الضغط بلا حد، تقترب نسبة التحوّل من الصفر تقاربيًا.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي. حيثما يختلف هذا الحل عن الحل الرسمي، يحتوي الحل الرسمي على خطأ أو خطأ مطبعي.