Равновесие синтеза аммиака N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃

Какие исходные величины потребуются

Укажите «Константа равновесия Kp», «Полное давление (бар)», «Подача N₂ (моль)». Это основные параметры выбранной постановки: они описывают исходное состояние, состав либо положение равновесия. Для контрольного набора указаны следующие числа: Константа равновесия Kp: 0.02; Полное давление (бар): 80 бар; Подача N₂ (моль): 1 моль. Их можно заменить значениями из химического анализа, измерения потенциала или справочных таблиц. Величины должны соответствовать одному состоянию системы, а не быть собраны из опытов при разных температурах без поправок.

Остальные входные величины: «Подача H₂ (моль)», «Исходный NH₃ (моль)», «Инертный газ (моль)». В этой модели их роль не декоративная: они участвуют в вычислении энергетических изменений, долей или вещества, доступного для превращения. Если входы задают константы, необходимо помнить о стандартном состоянии; если задают концентрации, нельзя подменять молярную концентрацию массовой долей. Особенно опасно использовать константу, рассчитанную для другой температуры или другой ионной силы. В частности, здесь проверяются входные данные: Константа равновесия Kp, Полное давление (бар).

Уравнения и контроль материального баланса

Основное уравнение записывается так: Kp=nNH3²·nΣ²/(nN2·nH2³·P²) при P в бар. Для задач со степенью реакции количества компонентов меняются в соответствии со стехиометрическими коэффициентами. Для задач с активностями важно отдельно определить, какой вид частного реакции используют в расчёте. Если константа близка к нулю или чрезвычайно велика, чувствительность к округлению может резко возрастать; поэтому вычисления выполняются без предварительного округления вводимых чисел.

С указанными по умолчанию параметрами получается «Равновесный N₂, моль»: 0.244401; также вычисляется «Равновесный NH₃, моль»: 1.5912. Остальные числовые показатели показывают связанный состав или энергетическую характеристику и помогают обнаружить несоответствие размерностей. При проверке сложных выражений полезно подставить результаты обратно в исходное уравнение и удостовериться, что сумма компонентов не изменилась там, где она должна сохраняться.

Что меняется при другой загрузке или температуре

Для сравнения двух расчётов измените поле «Константа равновесия Kp»: в дополнительном примере исходное значение 0.02 заменяется на 0.018. Тогда показатель «Равновесный N₂, моль» становится равным 0.251503. Такой способ позволяет увидеть влияние одного параметра, удерживая прочие неизменными. Однако в реальной лаборатории некоторые условия связаны: например, измеренная константа и температура не всегда могут изменяться независимо друг от друга.

В синтезе аммиака давление входит в равновесное уравнение в квадрате. Неидеальность газа при промышленном давлении может существенно отличать реальную установку от выбранной идеальной модели. При интерпретации сравните относительные доли компонентов и знак рассчитанной свободной энергии, когда он присутствует среди результатов. Положительная энергия при заданном составе не означает невозможность обратной реакции; отрицательная энергия не означает мгновенное превращение. Если наблюдения не совпадают с вычислениями, сначала проверьте температуру и концентрационную основу расчёта, затем — наличие побочных реакций и неидеальности раствора или газа.

Границы модели и проверка результата

Основное допущение для этой задачи: Kp безразмерная при P°=1 бар, газы идеальные; промышленная кинетика, каталитические ограничения и неидеальность при высоком давлении не учитываются. Модель следует рассматривать как математическое описание определённого химического равновесия. Она не учитывает любые возможные соединения, потери при пробоподготовке или произвольные поправки к активности, которых нет среди входных данных. Для сложных растворов, больших давлений и смесей с несколькими фазами может потребоваться специализированная термодинамическая модель.

Перед применением вычисленных величин запишите источник исходной константы и экспериментальные условия. Проверьте выбранные единицы, химическую стехиометрию, состав до и после превращения, а также совпадение стандартных состояний. Если результат используется для технологического оборудования, сравните его с экспериментальной точкой и независимым расчётом. Программа показывает, что следует из введённой модели, но сама по себе не подтверждает безопасность режима или корректность химических данных. Для задачи «Равновесие синтеза аммиака N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃» дополнительно сверьте: Kp=nNH3²·nΣ²/(nN2·nH2³·P²) при P в бар.

Формула расчёта

Проверенные примеры

Как пользоваться онлайн-калькулятором

1. Укажите «Константа равновесия Kp» (без единицы), от 1e-10 до 100000000.0.
2. Укажите «Полное давление» (бар), от 0.1 до 1000.
3. Укажите «Подача N₂» (моль), от 0.0001 до 10000.
4. Укажите «Подача H₂» (моль), от 0.0001 до 30000.
5. Укажите «Исходный NH₃» (моль), от 0 до 100000.0.
6. Укажите «Инертный газ» (моль), от 0 до 100000.0.
7. Сопоставьте результаты с физическими ограничениями и условием применимости.