Тема 5. Химическое равновесие

Понятие «химическое равновесие» применимо только к обратимым реакциям, т. е. к реакциям, которые могут протекать как в прямом, так и в обратном направлении. Например, реакция между азотом и водородом обратима

N₂+3H₂ <=> 2NH₃,

где <=> — знак обратимости.

Химическим равновесием называют такое состояние реагирующей системы, при котором скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции, это равенство является кинетическим условием химического равновесия.

Величина, равная отношению произведения равновесных концентраций продуктов реакции к произведению равновесных концентраций исходных веществ в степенях их стехиометрических коэффициентов, называется константой равновесия.

,

где Кр – константа равновесия.

Химическое равновесие остается неизменным до тех пор, пока остаются постоянными параметры, при которых оно установилось. При изменении условий равновесие нарушается. Равновесие смещается в ту или иную сторону потому, что изменение условий по разному влияет на скорость прямой и обратной реакции.

В общем случае направление смещения равновесия определяется принципом Ле Шателье:

если на систему, находящуюся в равновесии оказывать внешнее воздействие (изменять концентрации веществ, температуру, давление для газообразных веществ), то равновесие смещается в том направлении, которое ослабляет эффект внешнего воздействия.

Удаление из системы одного из продуктов реакции ведет к смещению равновесия в сторону прямой реакции, а уменьшение концентрации одного из исходных веществ приводит к сдвигу равновесия в направлении обратной реакции.

Повышение температуры приводит к смещению равновесия в направлении реакции, сопровождающейся поглощением теплоты, т. е. в сторону эндотермической реакции.

Повышенное давление вызывает смещение равновесия в направлении уменьшения общего числа молей газообразных веществ, которые понизят давление.

Катализатор не влияет на значение константы равновесия, так как он снижает энергию активации прямой и обратной реакции на одну и ту же величину и поэтому одинаково изменяет скорость прямой и обратной реакции, он лишь ускоряет достижение равновесия.

Пример. В каком направлении сместится равновесие в системе С₂Н₄ <=> С₂Н₂ + Н₂ – Q при понижении давления, при повышении температуры? Почему?

При понижении давления концентрация всех газообразных веществ уменьшается, так как увеличивается объем веществ, участвующих в реакции. Для восстановления равновесия система должна увеличить давление, которое будут создавать вещества, занимающие больший объем, т. е. 1 моль С₂Н₂ и 1 моль Н₂. Следовательно, в данной системе понижение давления сместит равновесие вправо, т.е. в сторону прямой реакции.

Реакция разложения этилена (С₂Н₄) на ацетилен и водород сопровождается поглощением теплоты, т. е. эта реакция эндотермическая. Следовательно в данной системе повышение температуры сместит равновесие вправо, т. е. в сторону прямой реакции.

Контрольные вопросы

1. Как повлияет понижение температуры и давления на равновесие химической реакции:

N₂ + O₂ <=> 2NO ΔH = 180 кДж?

1. Равновесие реакции N₂ + O₂ <=> 2NO установилось при следующих концентрациях веществ: [N₂] = 0,03 моль/л; [O₂] = 0,01 моль/л; [NO] = 0,06 моль/л. Чему равна константа равновесия?
2. В каком направлении сместится равновесие реакции 2SO₂ + O₂ <=> 2SO₃ при понижении давления? Напишите выражение для константы равновесия.
3. Для эндотермической реакции PCl₅(г) <=> PCl₃ + Cl₂(г). Как следует изменить температуру и давление, чтобы ускорить разложение PCl₅?
4. Изменением каких факторов можно увеличить выход оксида азота (II) в равновесной системе N₂ + O₂ <=> 2NO ΔH = 180кДж?
5. В сторону какой реакции сместится равновесие системы 2NO + Cl₂ <=> 2NOCl
   ΔH = -73,6 кДж, если понизить температуру ? Напишите выражение для константы равновесия.
6. Какой фактор окажет влияние на увеличение выхода Н₂S в реакции:
   Н2(г) + S(т) <=> Н₂S(г): увеличение давления или увеличение концентрации водорода ? Напишите выражение для константы равновесия.
7. Как отразится повышение давления на равновесие в системе: С(тв) + СО₂(г) <=>2СО(г)? Напишите выражение для константы равновесия.
8. В каком направлении сместится равновесие в системе 2СН₄ <=> С₂Н₂ + 3Н₂ при понижении давления?
9. Какими следует выбрать температуру и давление для эндотермической реакции
   2СН₄ <=> С₂Н₂ + 3Н₂, чтобы увеличить выход ацетилена?
10. Вычислите константу равновесия в реакции 2СО <=> С + СО₂, если к моменту равновесия [СО] = 0,012 моль/л, [СО₂] = 0,002 моль/л.
11. Как повлияют температура и давление на положение равновесия в экзотермической реакции Н₂ + Br₂(г) <=>2НBr?
12. Негашеную известь получают по реакции СаСО₃ <=>СаО + СО₂ ΔH>0. Каками следует выбрать температуру и давление, чтобы увеличить выход продукта?
13. Система С(тв.) + СО₂(г) <=> 2СО – Q находится в состоянии равновесия. Как изменится концентрация СО с повышением температуры? Напишите выражение константы равновесия для данной системы. Изменится ли константа равновесия при введении в систему катализатора?
14. Как влияют давление и температура на положение равновесия в реакции FeО + Н₂ <=> Fe + Н₂О(г) ΔH<0. Напишите для этой реакции выражение для константы равновесия.
15. Как следует изменить температуру и давление, чтобы усилить разложение сероводорода Н₂S <=> Н₂ + S(г) ΔH>0.
16. Какими следует поддерживать температуру и давление, чтобы увеличить выход этанола по реакции С₂Н₄ + Н₂О(г) <=> С₂Н₅ОН ΔH<0.
17. Реакция протекает по уравнению 2SO₂ + O₂ <=> 2SO₃ ΔH<0. Изменением каких параметров можно добиться смещения равновесия в сторону образования оксида серы (VI)?
18. Изменением каких параметров можно увеличить выход аммиака в экзотермической реакции N₂ + 3H₂ <=> 2NH₃?

100. Как отразится повышение давления и температуры на равновесие обратимой реакции CO + H₂O <=> CO₂ + H₂ ΔH<0?

*ΔН – стандартное изменение энтальпии при химической реакции, где Н – термодинамическая функция состояния системы. Для экзотермических реакций, которые сопровождаются выделением теплоты Q>0, ΔH<0, для эндотермических реакций, которые сопровождаются поглощением тепла Q<0, ΔH>0.