Химическое равновесие. Обратимые и необратимые реакции.

Вопросы для подготовки к занятию

1. Обратимые и необратимые реакции. Условия необратимости реакций.

2. Константа равновесия.

3. Факторы, влияющие на смещение равновесия. Принцип Ле Шателье.

4. Изучение влияния различных факторов на смещение химического равновесия

Состояние системы, при которомскорости прямой и обратной реакции равны, называют химическим равновесием. Состояние равновесия характеризуют константой равновесия (Кр).

Гомогенная система:

2SO_{2 (г)} + O_{2 (г)} 2SO_3(г)

где [ ] – равновесные концентрации веществ.

Гетерогенная система:

Fe₂O_{3 (т)} + 3H_{2 (г)} 3 Fe _(т) + 3H₂O _(г) .

В выражение константы равновесия гетерогенной реакции, как и в выражение закона действия масс, входят только концентрации веществ, находящихся в жидкой или газообразной фазе, так как концентрации твёрдых веществ остаются, как правило, постоянными.

Принцип Ле Шателье. На состояние равновесия системы влияют давление, концентрация реагирующих веществ и температура. Система может находиться в состоянии равновесия бесконечно долго. Если изменить условия его существования, равновесие будет нарушено. Со временем установится новое состояние равновесия, но с другими равновесными концентрациями. Переход из одного равновесного состояния в другое называют смещением равновесия. Качественно определить направление смещения равновесия позволяет принцип Ле Шателье (1884): если находящаяся в истинном равновесии система подвергается внешнему воздействию, равновесие смещается в направлении, которое способствует ослаблению этого воздействия.

Пример 1. Для реакции N_{2 (г)} + 3H_{2 (г)} 2NH_{3 (г)} при изменении параметров равновесие смещается: 1) с увеличением

2) с увеличением Р

Пример 2. В системе А_(г) + 2В_(г) D_(г) равновесные концентрации, моль/л: [A] = 0,06; [B] = 0,12; [D] = 0,216. Найти константу равновесия реакции и исходные концентрации веществ А и В.

Решение. Константа равновесия данной реакции выражается уравнением

Обозначим исходные концентрации веществ С⁰, концентрации прореагировавших веществ – С^прор; С⁰ = С^прор + [ ].

Согласно уравнению реакции

С_А ^прор = [D], С_А⁰ = С_А ^прор + [А] = 0,216 + 0,06 = 0,276 моль/л.

С_В ^прор =2 [D], С_В⁰ = С_В ^прор + [В] =2× 0,216 + 0,12 = 0,552 моль/л

Упражнения

1. При синтезе аммиака в равновесии находится 1 моль водорода, 2 моль азота и 8 моль NH₃. Во сколько раз исходное количество N₂ больше равновесного?

2. В замкнутом сосуде протекает обратимый процесс диссоциации

PCl_{5 (г)} PCl_{3 (г)} + Cl_{2 (г)}. Начальная концентрация PCl₅равна 2,4 моль/л. Равновесие установилось после того, как 33,3% PCl₅ продиссоциировало. Вычислить равновесные концентрации всех веществ и К_с.

3. В сосуде емкостью 1 л при 410 ^оС смешали 1 моль H₂ и 1 моль I₂.Вычислить, при каких концентрациях устанавливается химическое равновесие, если константа равновесия равна 48.

4. В сосуде объемом 0,5 л находятся 0,5 моль H₂ и 0,5 моль N₂. При некоторой температуре к моменту установления равновесия образовалось

0,02 моль NH₃. Вычислить константу химического равновесия.

5. В обратимой реакции CO _(г) + Cl_{2 (г)} COCl_{2 (г)} установились следующие равновесные концентрации веществ, моль/л: [CO] = 0,1; [Cl₂] = 0,4; [COCl₂] = 4. Вычислить К_равн и исходные концентрации Cl₂ и CO.

6. Определить объемный состав смеси в момент равновесия для системы

C_графит + O_{2 (г)} CO_{2 (г)}, если при 1300 ^оС К_с = 0,289.

7. Равновесие в системе CO_(г) + H₂O_(г) H_2(г) + CO_2(г) установилось при следующих концентрациях веществ, моль/л: [CO] = 0,04; [H₂O] = 0,08; [CO₂] = 0,08. Вычислить К_c и начальные концентрации CO и H₂O.

8. Константа равновесия системы 2N_{2 (г)} + O_{2 (г)} 2N₂O _(г) равна 1,21. Равновесные концентрации, моль/л: [N₂] = 0,72; [N₂O] = 0,84. Рассчитать исходную и равновесную концентрации кислорода.

9. Равновесие в системе CO _(г) + H₂O _(г) H_{2 (г)} + CO_{2 (г)} установилось при сле-дующих концентрациях веществ, моль/л: [CO] = 1; [H₂O] = 4; [H₂] = [CO₂] = 2. Вычислить равновесные концентрации, которые установились после повышения концентрации CO в три раза. В каком направлении сместится равновесие?

10. Рассчитать константу равновесия реакции CO_{(г) +} Cl_{2 (г)} COCl_{2 (г)}, если исходные концентрации CO и Cl₂ составляли 4 моль/л, а равновесная концентрация COCl₂ равна 2 моль/л.

11. Равновесие в системе 2CO _(г) + O_{2 (г)} 2CO_{2 (г)} установилось при следующих концентрациях веществ, моль/л: [CO] = 1,2; [O₂] = 0,1; [CO₂] = 4. Вычислить исходную концентрацию CO.

12. Определить направление смещения равновесия при увеличении давления в системе 2CO _(г) 2CO_{2 (г) +} С_(г). Ответ пояснить.

13. Константа равновесия процесса CO _(г) + Cl_{2 (г)} COCl_{2 (г)} при определенных условиях равна 4. Равновесные концентрации веществ составляют, моль/л: [Cl₂] = 0,5; [COCl₂] = 2. Определить равновесную концентрацию CO.

14. При каких условиях в равновесной системе N_2(г) + 3H_2(г) 2NH_3(г), DH⁰₂₉₈ = – 92,4 кДж можно максимально увеличить выход NH₃?

15. Исходные концентрации оксида азота (II) и хлора в гомогенной системе 2NO_(г) + Cl_2(г) 2NOCl _(г) составляют соответственно 0,5 и 0,2 моль/л. Вычислить К_с , если к моменту наступления равновесия прореагировало 20% оксида азота (II).

16. Две реакции протекали с такой скоростью, что за единицу времени в первой реакции образовалось 3 г сероводорода, а во второй 10 г йодоводорода. Какая из реакций протекала с большей средней скоростью? Ответ пояснить.

17. В сосуде объемом 2 л смешали газ А (4,5 моль) и газ В (3 моль). Газы А и В реагируют в соответствии с уравнением А + В = С. Через 20 с в системе образовалось 2 моль газа С. Определить среднюю скорость реакции. Сколько моль газов А и В осталось в системе?

18. Равновесие гомогеннойсистемы 4HCl_(г) + O_2(г) 2H₂O _(г) + 2Cl_2(г) установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ, моль/л: [H₂O] = 0,14; [Сl₂] = 0,14; [HCl] = 0,20; [O₂] = 0,32. Вычислите исходные концентрации хлористого водорода и кислорода.

19. Вычислите константу равновесия для системы CO_(г) + H₂O_(г) СO_2(г) + H_{2 (г)}, если равновесные концентрации веществ, моль/л: [CO] = 0,004; [H₂O] = 0,084; [CO₂] = 0,016; [H₂] = 0,016.

20. Константа равновесия гомогенной системы CO_(г) + H₂O_(г) СO_2(г) + H_2(г) при некоторой температуре равна 1. Вычислите равновесные концентрации реаги-рующих веществ, если исходные концентрации, моль/л: С_CO = 0,10; С_H2O= 0,40.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА