Химическое равновесие. Принцип Ле – Шателье

Реакции, которые протекают в одном направлении и идут до конца, называются необратимыми. Их не так много. Большинство реакций являются обратимыми, т.е. они протекают в противоположных направлениях и не идут до конца. Например, реакция J₂ + H₂ D 2HJ при 350°С является типичной обратимой реакцией. В этом случае устанавливается подвижное химическое равновесие и скорости прямого процесса и обратного делаются равными.

Химическое равновесие – такое состояние системы реагирующих веществ, при котором скорости прямой и обратной реакций равны между собой.

Химическое равновесие называют динамическим равновесием. При равновесии протекают и прямая, и обратная реакции, их скорости одинаковы, вследствие чего изменений в системе не заметно.

Концентрации реагирующих веществ, которые устанавливаются при химическом равновесии, называются равновесными концентрациями. Обычно их обозначают при помощи квадратных скобок, например, [J₂], [H₂], [HJ].

Количественной характеристикой химического равновесия служит величина, называемая константной химического равновесия. Для реакции в общем виде: mA + nB = pC + qD

Константа химического равновесия имеет вид:

Она зависит от температуры и природы реагирующих веществ, но не зависит от их концентрации. Константа равновесия показывает, во сколько раз скорость прямой реакции больше скорости обратной реакции, если концентрации каждого из реагирующих веществ равна 1 моль/л. В этом физический смысл К.

Направление смещения химического равновесия при изменениях концентрации реагирующих веществ, температуры и давления (в случае газовых реакций) определяется общим положением, известным под названием принципа подвижного равновесия или принципа Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, производится какое-либо внешнее воздействие (изменяется концентрация, температура, давление), то оно благоприятствует протеканию одной из двух противоположных реакций, которая ослабляет воздействие.

Следует отметить, что все катализаторы одинаково ускоряют как прямую, так и обратную реакции и поэтому на смещение равновесия влияние не оказывают, а только способствуют более быстрому его достижению.

Примеры решения задач

Пример 1.

Рассчитайте температурный коэффициент скорости реакции, зная, что с повышением температуры на 70 °С скорость возрастает в 128 раз.

Решение:

Для расчета используем правило Вант-Гоффа:

Ответ: 2

Пример 2.

При какой температуре закончится некоторая реакция за 0,5 мин, если при 70°С она заканчивается за 40 мин? Температурный коэффициент реакции равен 2,3.

Решение:

Для расчета используем правило Вант-Гоффа.Находим t₂:

Ответ: 122,6 ⁰С

Пример 3.

Во сколько раз изменится скорость прямой реакции N₂(г)+3Н₂(г)=NH₃(г), если давление в системе увеличить в 2 раза?

Решение:

Увеличение давления в системе в 2 раза равносильно уменьшению объема системы в 2 раза. При этом концентрации реагирующих веществ возрастут в 2 раза. Согласно закону действия масс, начальная скорость реакции равна V_н = k·[N₂]·[H₂]³.

После увеличения давления в 2 раза концентрации азота и водорода увеличатся в 2 раза, и скорость реакции станет равна V_к = k·2[N₂]·2³[H₂]³ = k·32[N₂]·[H₂]³. Отношение V_к/V_н показывает, как изменится скорость реакции после изменения давления. Следовательно, V_к/V_н = k·32[N₂]·[H₂]³/(k·[N₂]·[H₂]³) = 32.

Ответ: скорость реакции увеличится в 32 раза.

Пример 4.

Эндотермическая реакция разложения пентахлорида фосфора протекает по уравнению РС1₅(г) ↔ РС1₃(г) + С1₂(г) ; ∆Н = +92,59 кДж. Как надо изменить: а) температуру; б) давление; в) концент­рацию, чтобы сместить равновесие в сторону прямой реакции — разложения РС1₅?

Решение:

Смещением или сдвигом химического равновесия называют изменение равновесных концентраций реагирующих веществ в результате изменения одного из условий реакции. Направление, в котором сместилось равновесие, определяется по принципу Ле Шателье: а) так как реакция разложения РС1₅ эндотермическая ( H > 0), то для смещения равновесия в сторону прямой реакции нужно повысить температуру: б) так как в данной системе разложение РС1₅ ведет к увеличению объема (из одной молекулы газа образуются две газообразные молекулы), то для смещения равновесия в сторону прямой реакции надо уменьшить давление; в) смещения равновесия в указанном направлении можно достигнуть как увеличением концентрации РС1₅, так и уменьшением концентрации РС1₃ или Сl₂.

Задачи для самостоятельного решения

1. Определите, как изменится скорость реакции синтеза аммиака при а) увеличении концентрации исходных веществ в 3 раза; б) при уменьшении давления в реакционной смеси в 2 раза.

2. Как изменится скорость прямой реакции 2СО + О₂ ↔ 2СО₂ при увеличении концентрации СО в 3 раза?

3. Как изменится скорость прямой реакции 2NO + O₂ ↔ 2NO₂ при увеличении давления в 2 раза?

4. Определите, как изменится скорость реакции 2SO₂ + O₂ = 2SO₃ при уменьшении концентрации SO₂ в два раза и увеличении концентрации О₂ в 4 раза.

5. Скорость реакции уменьшается в 6,25 раза при понижении температуры на 20⁰С. Найдите температурный коэффициент реакции.

6. Во сколько раз уменьшится скорость окисления глюкозы при гипотермии, если температура тела падает с 36,6 до 27°С, а температурный коэффициент данной реакции равен 1,3?

7. Константа скорости распада пенициллина при 36⁰С равна 6·10^-6 сек^-1, а при 41⁰С – 1,2·10^-5 сек^-1. Вычислить температурный коэффициент реакции.

8. Химическая реакция при 10⁰С заканчивается за 16 мин. При какой температуре она закончится за 1 мин при температурном коэффициенте реакции равном 2?

9. Температурный коэффициент скорости некоторой реакции равен 2,8. Во сколько раз увеличится скорость реакции при уменьшении температуры от 15 до 35 ⁰С?

10. Температурный коэффициент скорости некоторой реакции равен 2,5. Как нужно повысить температуру, чтобы скорость реакции возросла в 25 раз?

11. Скорость реакции увеличилась в 5,6 раза при повышении температуры реакционной смеси на 20К. Как изменится скорость реакции при понижении температуры от 57 до 17 ⁰С?

12. Некоторая реакция характеризуется следующими параметрами уравнения Аррениуса: А = 1,5·10¹¹ л/(моль·с), Е_а = 86,2 кДж/моль, Т = 298К. Рассчитать константу скорости реакции.

13. Для реакции синтеза иодоводорода из простых веществ энергия активации равна 166 кДж/моль, а предэкспоненциальный множитель в уравнении Аррениуса 1,6·10¹⁴ мл/(моль·час) при 350 К. Вычислите константу скорости реакции.

14. В системе 2NO + O₂ ↔ 2NO₂ равновесные концентрации веществ составляют [NO] = 0,2 моль/л, [O₂] = 0,3 моль/л, [NO₂] = 0,4 моль/л. Рассчитать К_равн и оценить положение равновесия.

15. Рассчитать величину константы равновесия для обратимой реакции 2NO + O₂ ↔ 2NO₂, если при состоянии равновесия [NO] = 0,056 моль/л, [O₂] = 0,02 моль/л, [NO₂] = 0,044 моль/л.

16. Обратима ли практически реакция гидролиза глицил-глицина при 310 К, если ∆G⁰_р-ции = -15,08 кДж/моль?

17. При 300 К константа равновесия реакции:

L-глутаминовая кислота + пируват ↔ α-кетоглутаровая кислота + L-аланин равна 1,11. В каком направлении будет идти реакция при следующих концентрациях: L-глутаминовая кислота и пируват по 0,00003 моль/л, α-кетоглутаровая кислота и L-аланин по 0,005 моль/л?

18. Для реакции H₃PO₄ + аденозин ↔ АМФ + Н₂О; ∆G⁰ = 14 кДж/моль. В каком направлении реакция идет самопроизвольно при стандартных условиях? Каково значение константы равновесия?

19. Сделать заключение о практической обратимости реакции АТФ+АМФ↔2АДФ при 310 К, если ∆G⁰ = -2,10 кДж/моль.

20. В печени протекает ферментативный обратимый процесс:

глюкозо-1-фосфат ↔ глюкозо-6-фосфат.

При 37⁰С равновесная концентрация глюкозо-1-фосфата 0,001 моль/л, а глюкозо-6-фосфата – 0,019 моль/л. Рассчитать К_равн.

Тестовые задания