Задачи на смещение химического равновесия
По принципу Ле-Шателье
Пример 1
В сторону какой реакции произойдёт смещение равновесия при:
а) увеличении давления; б) увеличении объёма; в) уменьшении температуры в следующих системах: 1) 4НСl+O2«2H2O+2Cl2 ΔНх.р. < 0
2) 3А(к) + O(г) « С (г) + 2Р(г); DНх.р.= 34,55 кДж.
1) Если не указано агрегатное состояние веществ, то будем считать, что они находятся в газовой фазе и система является гомогенной. Посчитаем количество молей газообразных веществ до и после реакции: слева – 4+1=5; справа – 2+2=4.
а) При увеличении давления равновесие сместится в сторону прямой реакции (вправо), т, к. там меньше молей газообразного вещества.
б) При увеличении объёма равновесие сместится в сторону обратной реакции (влево), т, к. там больше молей газообразного вещества.
в) Поскольку ΔНх.р. < 0, то можно сказать, что данная реакция является экзотермической. Поэтому при уменьшении температуры равновесие сместится в сторону прямой реакции, т. к. именно по этой реакции теплота будет выделяться.
2) Поскольку здесь вещества находятся в двух фазах, то эта система будет являться гетерогенной. Посчитаем количество молей газообразных веществ до и после реакции: слева – 1; справа – 1+2=3.
а) При увеличении давления равновесие сместится в сторону обратной реакции (влево), т, к. там меньше молей газообразного вещества.
б) При увеличении объёма равновесие сместится в сторону прямой реакции (вправо), т, к. там больше молей газообразного вещества.
в) Поскольку значение ΔНх.р. идёт со знаком "+" , то можно сказать, что данная реакция является эндотермической, идущей с поглощением теплоты. Поэтому при уменьшении температуры равновесие сместится в сторону обратной (соответственно – экзотермической ) реакции, т. к. именно по этой реакции теплота будет выделяться и разогревать систему.
Пример 2
Как нужно изменить давление, объём, и концентрации реагирующих веществ в системе СО(г)+Н2О(г)«СО2(г)+Н2(г) ,чтобы увеличить выход продуктов реакции? Определите знак ΔН обратной реакции, если известно, что при увеличении температуры равновесие сместилось вправо.
Решение
Поскольку и справа, и слева одинаковое количество молей газообразных веществ (1+1=1+1), то изменение давления и объёма не повлияет на положение равновесия. А чтобы увеличить выход продуктов реакции (сместить равновесие вправо ) необходимо либо увеличить концентрацию исходных веществ СО(г) и Н2О(г) (возрастёт скорость прямой реакции и эти вещества начнут расходоваться ), либо уменьшить концентрацию продуктов, т. е. удалить СО2(г) и Н2(г) из зоны реакции ( уменьшится скорость обратной реакции и эти вещества начнут образовываться ).
Поскольку известно, что увеличении температуры равновесие сместилось вправо, то можно сделать вывод, что эта реакция будет являться эндотермической, а обратная соответственно – экзотермической, т. е. ΔНобратной .реакции. < 0.
На основании закона действия масс
Пример
Реакция протекает по уравнению 2H2+O2«2H2O. В каком направлении сместится химическое равновесие, если давление увеличить в 4 раза? Ответ подтвердите расчетами.
Решение:
Запишем формулу закона действия масс для прямой и обратной реакции. Т. к. система гомогенная, то u1прямой = k [H2]2[O2] и u1обратной = k [H2О]2.
При увеличении давления в 4 раза концентрации всех веществ также увеличатся в 4 раза. Тогда u2прямой = k [4H2]2[4O2] = 64 k [H2]2[O2] и u2обратной = k [4H2О]2=16 k [H2О]2 Таким образом, скорость прямой реакции увеличилась в 64 раза, а обратной – только в 16 раз: u2пр/u2об = 64 / 16 = 4. Значит, химическое равновесие сместится в сторону прямой реакции, т. к. скорость прямой реакции увеличивается в большее количество раз.
3 Задачи для самостоятельного решения:
3.1 Скорость
3.1.1 Реакция идет по уравнению 2NO+Cl2=2NOCl. Концентрации исходных веществ до начала реакции были [NO]=0,04 моль/л, [Cl2]=0,01 моль/л. Вычислите концентрации этих веществ в момент, когда [NOСl]=0,005 моль/л.
3.1.2 Окисление серы и ее диоксида протекает по уравнению:
а) S(к) + О2(г) = SO2(г); б) 2SO2(г) + О2(г) = 2SO3(г).
Как изменяются скорости этих реакций, если объемы каждой из систем увеличить в четыре раза?
3.1.3 Реакция идет по уравнению Н2+Br2=2HBr. Константа скорости этой реакции при некоторой температуре равна 0,2. Исходные концентрации реагирующих веществ: [H2]=0,08 моль/л, [Br]=0,06 моль/л. Вычислите начальную скорость реакции и ее скорость, когда [H2]=0,05 моль/л.
3.1.4 Как изменится скорость реакции 2NO(г)+O2(г)=2NO2(г) если: а) увеличить давление в системе в 4 раза; б) понизить концентрацию NO в 5 раз? Ответ пояснить.
3.1.5 Как нужно изменить температуру, чтобы скорость гомогенной реакции уменьшить в 27 раз при температурном коэффициенте, равном 3?
3.1.6 Как изменится скорость гомогенной реакции 2NO+O2«2NO2 если концентрацию [NO] увеличить в 3 раза, а концентрацию [O2] уменьшить в 4 раза?
Равновесие
3.2.1 Смешали 0,16 моль СО с 0,8 моль/л О2. Реакция 2СО(г)+O2(г)=2СO2(г) протекает в закрытом сосуде при постоянной температуре. К моменту наступления равновесия остается 40 % первоначального количества СО. Вычислите константу равновесия этой химической реакции.
3.2.2 Образование аммиака протекает по уравнению N2+3H2«2NH3. При некоторых условиях равновесные концентрации веществ равны: [N2]= =0,1 моль/л, [H2]=0,2 моль/л, [NH3]=0,8 моль/л. вычислите константу равновесия и рассчитайте исходные концентрации азота и водорода.
3.2.3 Константа равновесия системы CuO (к)+СО(г)«Cu(к)+СО2(г) при некоторой температуре равна 0,6. Найти равновесные концентрации этих веществ, если [CO]исх=0,5 моль/л, [CO2]исх=0,2 моль/л.
3.2.4 Как повлияет на равновесие следующих реакций:
2Н2(г)+О2(г)«2Н2О(г) DНх.р.= -433,6 кДж;
СаСО3(к)«СаО(к)+СО2(г) DНх.р.= 179,0 кДж
а) повышение температуры, б) повышение давления? Ответ пояснить
3.2.5 Почему при изменении давления смещается равновесие системы 2H2O + O2 «2H2O и не смещается равновесие системы N2+O2«2NO? Ответ мотивируйте на основании расчета скорости прямой и обратной реакций в этих системах до и после повышения давления. Напишите выражения для константы равновесия каждой из данных систем.
3.2.6 Константа равновесия гомогенной системы СО+Н2О«СО2+Н2 при некоторой температуре равна 1. Вычислить равновесные концентрации всех реагирующих веществ, если исходные концентрации: [CO]=0,5моль/л, [H2O]=0,9 моль/л.
Список литературы
4.1 Лучинский Г.П. Курс химии. - М.: Высшая школа, 1985.
4.2 Глинка Н.Л. Общая химия. - Л.:Химия, 1982-1984.
4.3 Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии. -Л.: Химия, 1980.
4.4 Коровин Н.В. Общая химия.- М.:Высшая школа, 1998
4.5 Пурмаль А.П. Химическая кинетика. - М., 1993
4.6 Семиохин И.А Кинетика химических реакций.
(И. А. Семиохин, Б. В. Страхов. – М., 1995)