Химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях, называются обратимыми

Например:

H2 + Cl2 = 2HCl (t = 200 °C) Реакция необратимая, идет до конца.

Н2 + I2 ↔ 2HI (t = 200 °C) Реакция обратимая, до конца не идет.

В уравнении обратимой реакции всегда ставятся двойные стрелки (↔).

Изменение концентраций реагентов (исходных веществ) и продуктов обратимой реакции во времени может быть представлено следующим графиком:

Химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях, называются обратимыми - student2.ru

Как видим из графика, концентрации исходных веществ уменьшаются, а концентрации продуктов реакции увеличиваются.

Выражения скоростей прямой и обратной реакций согласно закону действующих масс имеют вид:

Химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях, называются обратимыми - student2.ru Химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях, называются обратимыми - student2.ru

Скорость прямой реакции со временем будет уменьшаться, а скорость обратной реакции - увеличиваться. Наступит такой момент, когда скорости прямой и обратной реакций выровняются:

Химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях, называются обратимыми - student2.ru = Химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях, называются обратимыми - student2.ru

Состояние реакции, в котором скорость обратной реакции становится равной скорости прямой реакции, называется химическим равновесием. Состояние равновесия имеет динамический характер.

Признаки химического равновесия:

1. Наличие всех реагентов в системе;

2. Постоянство их концентраций во времени;

3. Возможность подойти к состоянию равновесия как со стороны прямой реакции, так и со стороны обратной реакции.

Начиная с момента равновесия концентрации всех веществ (реагентов и продуктов реакции) будут оставаться неизменными. Концентрации веществ, соответствующие состоянию равновесия, называются равновесными и обозначаются в виде квадратных скобок: [ ]

Для рассматриваемой выше реакции, находящейся в состоянии равновесия, приравниваем скорости примой и обратной реакций:

Химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях, называются обратимыми - student2.ru

Преобразуя полученное выражение, получим уравнение, представляющее собой математическое выражение закона действующих масс при химическом равновесии.

Химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях, называются обратимыми - student2.ru

Для условной обратимой реакции аА + bВ Химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях, называются обратимыми - student2.ru сС + dD закон действующих масс записывается следующим образом:

Химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях, называются обратимыми - student2.ru

Kравн - константа равновесия, представляет собой отношение констант скоростей прямой и обратной реакций, не зависит от концентраций веществ, но зависит от температуры и природы реагирующих веществ. При данной температуре константа равновесия является постоянной величиной.

Итак, константа равновесия равна отношению произведения равновесных концентраций продуктов реакции к произведению равновесных концентраций исходных веществ, взятых в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.

Примеры:

1. 2SO2(г) + O2(г) ↔ 2SO3(г)

Химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях, называются обратимыми - student2.ru

2. СО2(г) + Н2О(ж) ↔ Н2СО3(ж) (реакция гетерогенная)

Химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях, называются обратимыми - student2.ru

3. Ti(тв) + 2I2(г) ↔ TiI4(г) (реакция гетерогенная)

Химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях, называются обратимыми - student2.ru

В гетерогенных реакциях в выражения константы равновесия входят концентрации только газовых компонентов.

Для реакций с участием газов константа равновесия может выражаться через парциальные давления (обозначается символом Кр).

Пример. H2(г) + I2(г) ↔ 2НI(г)

Химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях, называются обратимыми - student2.ru

Значение константы равновесия определяет выход реакции.

Выходом реакции называют отношение количества получаемого в действительности продукта к тому количеству, которое получилось бы при протекании реакции до конца (или по расчёту). Выход реакции обычно выражается в процентах. Так, при Kравн>> 1 выход реакции велик, поскольку в этом случае

[C]c [D]d >> [A]a [B]b

При Kравн << 1 выход реакции мал.

Примеры задач на равновесие.

Пример 1. Исходные концентрации водорода и иода в реакции H2(г) + I2(г) ↔ 2HI(г) равны 1,5 моль/л и 0,9 моль/л соответственно. Вычислите константу равновесия, если известно, что к моменту равновесия прореагировало 40 % Н2.

Решение. При решении задач на равновесие удобно использовать табличную форму записи. Записываем уравнение реакции и под ним составляем таблицу, состоящую из трех строк.

H2(г) + I2(г) ↔ 2HI(г)

исходные концентрации, моль/л 1,5 0,9
изменение концентраций, моль/л 0,6 0,6 1,2
равновесные концентрации, моль/л 0,9 0,3 1,2

В первой строке таблицы будем записывать исходные концентрации реагентов (или исходных веществ).

Во второй строке - изменение концентраций исходных веществ и продуктов реакции к моменту достижения состояния равновесия.

В третьей строке - равновесные концентрации всех веществ.

Заполнение таблицы происходит постепенно.

По условию задачи даны исходные концентрации водорода и иода, поэтому, заполняя таблицу, в первой строке второй графы под формулами веществ H2 и I2 ставим значения их исходных концентраций. А под формулой вещества HI ставим цифру “0”, т.к. в начальный момент времени иодоводорода не было.

По условию задачи к моменту равновесия прореагировало 40 % водорода. Изменение концентрации H2 составило:

1,5 · 0,4 = 0,6 моль/л

Проставим это значение в таблице во второй строке под водородом.

Руководствуясь уравнением реакции, вычислим изменение концентрации иодоводорода к моменту достижения состояния равновесия:

1 моль Н2 прореагировал с 1 моль I2

0,6 моль Н2 прореагирует с х моль I2 ,

отсюда х = 0,6 моль I2

на 1 моль Н2 получено 2 моля НI

на 0,6 моль Н2 получено х моль НI ,

отсюда х = 1,2 моль HI

Запишем полученные значения (0,6 и 1,2) в таблице во второй строке под формулами веществ I2 и HI.

Далее подсчитаем равновесные концентрации водорода, иода и иодаводорода и проставим их значения в таблице в третьей строке.

[H2] = 1,5 - 0,6 = 0,9 моль/л

[I2] = 0,9 - 0,6 = 0,3 моль/л

[HI] = 0 + 1,2 = 1,2 моль/л

Поставив значения равновесных концентраций в выражение константы равновесия, получим:

Химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях, называются обратимыми - student2.ru

Ответ: константа равновесия равна 5,33.

Пример 2. Равновесие реакции N2 + 3H2 ↔ 2NH3 устанавливается при следующих концентрациях участвующих в них веществ: [N2] = 0,01 моль/л,

[H2] = 2,0 моль/л, [NH3] = 0,4 моль/л. Вычислите константу равновесия и исходные концентрации азота и водорода.

Решение. Записываем уравнение реакции и под ним составляем таблицу.

N2 + 3H2 ↔ 2NH3

исходные концентрации, моль/л 0,21 2,6
изменение концентраций, моль/л 0,2 0,6 0,4
равновесные концентрации, моль/л 0,01 2,0 0,4

По условию задачи даны равновесные концентрации азота, водорода и аммиака.

Вносим значения этих концентраций в третью строку таблицы под соответствующими веществами. Запишем в таблице в первой строке исходную концентрацию аммиака, равную “нулю”.

Исходя из того, что аммиака вначале реакции не было, а равновесная концентрация его равна 0,4 моль/л, то делаем вывод, что аммиака получено в ходе реакции 0,4 моль/л. Записываем это значение в таблице во второй строке под формулой NH3.

Зная это значение и исходя из уравнения реакции, подсчитаем изменение концентрации азота и водорода. Для этого составим пропорции:

на 1 моль N2 приходится 2 моля NH3

на х моль N2 придется 0,4 моля NH3 ,

отсюда х = 0,2 моль/л N2

на 3 моля Н2 приходится 2 моля NH3

на х моль Н2 придется 0,4 моля NH3 ,

отсюда х = 0,6 моль/л Н2

Вносим полученные данные в таблицу во вторую строку под формулами N2и H2.

Далее подсчитываем исходные концентрации азота и водорода:

Исходная концентрация N2: 0,01 + 0,2 = 0,21 моль/л

Исходная концентрация H2: 2,0 + 0,6 = 2,6 моль/л

Подсчитаем константу равновесия.

Химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях, называются обратимыми - student2.ru

Ответ: Kравн = 2; Химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях, называются обратимыми - student2.ru моль/л; Химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях, называются обратимыми - student2.ru = 2,6 моль/л

Пример 3. Рассчитайте равновесные концентрации веществ, участвующих в реакции СО + Н2О ↔ СО2 + Н2, если исходные концентрации веществ равны:

Химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях, называются обратимыми - student2.ru = 0,1 моль/л, Химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях, называются обратимыми - student2.ru = 0,4 моль/л, а константа равновесия при данной температуре равна 1.

Решение. Записываем уравнение реакции и под ним составляем таблицу.

СО + H2О ↔ СО2 + Н2

исходные концентрации, моль/л 0,1 0,4
изменение концентраций, моль/л а а а а
равновесные концентрации, моль/л (0,1-а) (0,4-а) а а

По условию задачи даны исходные концентрации веществ СО и Н2О. Вносим значения этих концентраций в таблицу в первую строку под веществами СО и Н2О, а под продуктами реакции СО2 и Н2 проставляем “нули”.

Далее, поскольку других данных в условии задачи нет (кроме константы равновесия), то задаемся некоторой величиной (обозначим её “а”), считая, что а - это количество вещества СО, израсходованного к моменту равновесия (в моль/л). Проставим величину “а” в таблице во второй строке под веществом СО.

Далее можно найти, сколько прореагировало вещества Н2О к моменту равновесия, и сколько получено веществ СО2 и Н2 к моменту равновесия. Найти эти величины можно, исходя из коэффициентов в уравнении реакции. Коэффициенты в уравнении реакции перед всеми веществами равны “единицы”. Это значит, согласно закону стехиометрии, на 1 моль СО будет израсходован 1 моль Н2О и будет получено по 1 молю СО2 и Н2. А на “а” моль СО будет израсходовано “а” моль Н2О и получено по “а” моль СО2 и Н2. Проставляем значение ‘а” в таблице во второй строке под веществами Н2О, СО2 и Н2.

Равновесные концентрации для исходных веществ будут уменьшены на величину “а”, а для продуктов реакции будут равны величине “а”. Проставляем в таблице выражения равновесных концентраций в третьей строке.

Записываем выражение константы равновесия для данной реакции:

Химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях, называются обратимыми - student2.ru

Подставляем выражения равновесных концентраций в данную формулу. По условию задачи Кравн равна 1. Получаем уравнение с одним неизвестным.

Химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях, называются обратимыми - student2.ru

Решая уравнение, находим величину “а”. а = 0,08

Таким образом, равновесные концентрации веществ будут равны:

[CO] = 0,1 - 0,08 = 0,02 моль/л;

[H2O] = 0,4 - 0,08 = 0,32 моль/л;

[CO2] = 0,08 моль/л;

[H2] = 0,08 моль/л.

Ответ: 0,02; 0,32; 0,08; 0,08 (моль/л)

Наши рекомендации