Смещение химического равновесия

Состояние химического равновесия сохраняется длительное время при неизменных условиях: температуры, давления и концентрации. Изменение условий влечёт засобой нарушение (смещение) равновесия. Смещение химического равновесия при изменении внешних условий подчиняется принципу Ле-Шателье: всякая система, находящаяся в состоянии химического равновесии, при оказании на нее внешнего воздействия, стремится это воздействие ослабить.

Пример 9. Как для обратимой реакции N_{2 (г)} + 3Н_{2 (г)} ↔ 2NH_{3 (г)} + Q надо изменить: а) температуру; б) давление в) концентрацию, чтобы сместить равновесие в сторону прямой реакции – образования аммиака?

Решение.

1. Такая запись реакции показывает, что прямая реакция протекает с выделением тепла, а обратная, соответственно, с поглощением (эндотермический процесс). Исходя из принципа Ле-Шателье, с повышением температуры химиче­ское равновесие смещается в сторону реакции, идущей с поглощением тепла, а с понижением температуры – в сторону реакции, идущей с выделением тепла. Следовательно, чтобы сместить равно­весие в сторону образования аммиака, необходимо температуру понизить.

2. Исходя из принципа Ле-Шателье, уменьшение внешнего давления сме­щает равновесие в сторону его роста. Давление создается газообразными веществами. Прямая реакция идет с уменьшением объёма газообразныхвеществ (число моль продуктов реакции(2 моль NH₃) меньше числа моль исходных веществ (1 моль N₂ + 3 моль Н₂ = 4 моль), следовательно, прямая реакция протекает с уменьшением давления. При протекании обратной реакции давление растет (увеличивается число моль газооб­разных веществ). Увеличение внешне­годавления смещает равновесие в сторону, ведущую к уменьшению числа моль газообразных веществ. В данной реакции к сдвигу химического равновесия в сторону образования аммиака приводит повышение давления.

3. По принципу Ле-Шателье введение в равновесную систему дополнитель­ного количества какого-либо вещества смещает равновесие в том направлении, в котором концентрация введённого вещества уменьшается. В данной реакции, чтобы сместить равновесие в сторону образования аммиака, необходимо увели­чить концентрацию исходных веществ (N₂ или Н₂) или выводить (уменьшать концентрацию) из равновесной системы продукт (NH₃ ).

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

41. Реакция между сероводородом и кислородом протекает по уравнению

2H₂S _(г) + ЗО_{2 (г)} = 2SО_{2 (г)} + 2Н₂О _(г). Как изменится скорость прямой реакции, если увеличить в 3 раза:

1) концентрацию H₂S;

2) концентрацию О₂:

3) давление?

Ответ: Скорость реакции увеличится в 1) 9 раз; 2) 27 раз; 3) 243 раза.

42. Скорость химической реакции при повышении температуры на 10 °С увеличилась в 2 раза. Во сколько раз возрастёт скорость этой реакции при увеличении температуры на 40 °С?

Ответ: 16 раз.

43. Реакции протекают по уравнениям:

1) N₂О_{4 (г)} ↔ 2NO_{2 (г)},

2) 4NH_{3 (г)} + 3O_{2 (г)} ↔ 2N_{2 (г)} + 6H₂O _(г),

3) 2S _(к) + 4H₂O _(г) ↔ 2SO_{2 (г)} + 4H_{2 (г)},

4) С _(к) + О_{2 ( г)} ↔ СО_{2 (г)}.

1. Напишите для реакций выражения констант равновесия и через молярные концентрации (K _C ) и парциальные давления реагентов(K_P).

2. Укажите, от каких из перечисленных ниже факторов не зависит константа равновесия: природа реагентов, температура, концентрация, энергия активации, присутствие катализатора.

44. Реакция 2HI + H₂O₂ = 2Н₂О + I₂ протекает по стадиям:

1) HI + Н₂О₂ = Н₂О + НIO (медленная);

2) HIO + HI = Н₂О + I₂ (быстрая).

Напишите кинетическое уравнение реакции. Определите молекулярность, общий порядок реакции и порядок реакции по веществу HI. Как изменится скорость этой сложной реакции, если разбавить исходные вещества в 2 раза?

Ответ: уменьшится в 4 раза.

45. Реакция протекает по уравнению NO _(г) + N₂O_{5 (г)} ↔ 3NO_{2 (г)}. В каком направлении сместится химическое равновесие, если концентрацию всех участ­ников реакции увеличить в 2 раза? Ответ мотивируйте на основании расчёта скорости прямой и обратной реакций.

46. Реакция между оксидом углерода (II) и водородом протекает по уравнению CO _(г) + 2Н_{2 (г)} = СН₃ОН _(г). Как изменится скорость прямой реакции, если увеличить в 2 раза:

1) концентрацию СО;

2) концентрацию Н₂;

3) концентрацию СО и Н₂?

Ответ: скорость реакции увеличитсяв 1) 2 раза;2) 4 раза;3) 8 раз.

47. Вычислите температурный коэффициент скорости реакции, если скорость её при температуре 55 °С составляла 8,19×10 ^–2 моль/л∙с, а при повышении температуры до 105 °С возросла до 19,9017 моль/л∙с.

Ответ: g = 3,0.

48. Химическое равновесие в реакции СО _(г) + Н₂О _(г) ↔ СО_{2 (г)} + Н_{2 (г)} установи­лось при следующих концентрациях реагирующих веществ (моль/л): [СО] = 0,02; [Н₂О] = 0,32; [СО₂] = 0,08; [Н₂] = 0,08. Вычислите константу равновесия реакции и исходные концентрации оксида углерода (II) и паров воды.

Ответ: K _C = 1,0; с_CO = 0,1; = 0,4.

49. Реакция Н₂ + 2IСl = I₂ + 2НСl протекает в две стадии:

1) IС1 + Н₂ ↔ НI + НСl (медленная);

2) IСl + HI ↔ I₂ + HC1 (быстрая).

Какая стадия определяет скорость реакции? Напишите кинетическое уравне­ние реакции. Определите молекулярность и общий порядок реакции. Почему молекулярность и порядок реакции не совпадают?

50. Напишите кинетическое уравнение для элементарной реакции

2NO _(г) + Cl_{2 (г)} = 2NOCl _(г).

Определите, во сколько раз увеличится скорость реакции:

а) при повышении концентрации NO в 3 раза;

б) при повышении давления в системе в 2 раза?

Ответ: а) 9 раз; б) 8 раз.

51. Реакция разложения оксида азота (V) 2N₂O_{5 (г)} = 2N₂O_{4 (г)} + О_{2 (г)}идёт по стадиям (все вещества газообразные):

1) N₂O₅ = N₂О₃ + О₂ (медленная);

2) N₂O₃ = NO₂ + NO (быстрая);

3) NO + N₂O₅ = 3NO₂ (быстрая);
4) 2NO₂ = N₂O₄ (быстрая).

Каков порядок этой сложной реакции? Во сколько раз возрастет скорость реакции при увеличении концентрации N₂O₅ в два раза?

Ответ: возрастёт в 2 раза.

52. При температуре 50 °С некоторая реакция заканчивается за 20 с. Сколько времени будет длится данная реакция при понижении температуры до 0 °С, если температурный коэффициент g = 2?

Ответ: 10,67 мин.

53. Химическое равновесие реакции СО _(г) + Сl­_{2 (г)} ↔ СОС1_{2 (г)} установилось при следующих концентрациях участников реакций (моль/л): [СО] = 0,18; [С1₂] = 0,25; [СОСl₂] = 2,025. Вычислите константы равновесия реакции K_C , K_Р и ис­ходные концентрации оксида углерода (II) и хлора.

Ответ: K_C = 45 (моль/л)^–1; K_Р = 1,842 (атм)^–1; [СО]_о = 2,205, [С1₂]_о = 2,275 моль/л.

54. Исходные концентрации водорода и брома перед началом обратимой химической реакции Н_{2 (г)} + Вг_{2 (г)} ↔ 2НВr _(г) (моль/л): [H₂]_о= 0,02; [Вг₂]_o = 0,02, а равновесная [H₂] = 0,005. Вычислите равновесную концентрацию бромоводорода и константу химического равновесия реакции (K_C).

Ответ: [НВr] = 0,030 моль/л; K_C = 36.

55. Химическое равновесие гомогенной реакции 2A + B ↔ 2C установилось при следующих концентрациях (моль/л): [А] = 0,5; [B] = 0,7; [С] = 2,1. В какую сторону сместится химическое равновесие, если в системе уменьшить общее давление в 2 раза? Ответ мотивируйте на основании расчёта скоростей прямой и обратной реакций.

56. Реакция между оксидом азота (II) и водородом определяется уравнением 2NO _(г) + Н_{2 (г)} ↔ N₂O _(г) + Н₂О _(г). В какую сторону сместится химическое равновесие, если увеличить давление в системе в 2 раза? Ответ мотивируйте результатами расчёта скоростей прямой и обратной реакций.

Ответ: в прямом направлении.

57. Для реакции разложения йодоводорода 2НI _(г) ↔ Н_{2 (г)} + I_{2 (г)} температурный коэффициент скорости реакции равен 2. Рассчитайте, на сколько градусов следует повысить температуру, чтобы скорость реакции возросла в 8 раз?

Ответ: ΔТ = 30°.

58. Химическое равновесие реакции 2NO _(г) + О_{2 (г)} ↔ 2NO_{2 (г)} установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ (моль/л): [NO] = 0,03; [O₂] = 0,06; [NO₂] = 0,02. Вычислите константы химического равновесия реак­ции K_C , K_Р и исходные концентрации оксида азота (II) и кислорода.

Ответ: K_C = 7,41 (моль/л)^–1; K_Р = 0,303 (атм)^–1; [NO]_о = 0,05, [O₂]_о = 0,07 моль/л.

59. Исходные концентрации оксида серы (IV) и кислорода обратимой химической реакции 2SO_{2 (г)} + О_{2 (г)} ↔ 2SO_{3 (г)} были: [SO₂]_о = 0,06 моль/л; [O₂]_о = 0,07 моль/л. Равновесие установилось при [O₂] = 0,06 моль/л. Вычисли­те равновесные концентрации [SO₂], [SO₃] и константу равновесия реакции (K_C).

Ответ: [SO₂] = 0,04 моль/л; [SO₃] = 0,02 моль/л; K_C = 4,167(моль/л)^–1.

60. Реакция протекает по уравнению А + В ↔ АВ. Напишите кинетическое уравнение прямой и обратной реакции и определите, в какую сторону сме­стится химическое равновесие, если повысить температуру на 20 °С? Темпе­ратурные коэффициенты прямой и обратной реакции соответственно равны 2 и 4.