Сдвиг химического равновесия

 

Пример 1. Влияние изменения концентрации реагирующих веществ на смещение химического равновесия.

Дана равновесная система:

Определить, в каком направлении сместится химическое равновесие, если концентрацию всех реагирующих веществ увеличить в 2 раза.

 

Решение

Согласно закону действия масс первоначальные скорости прямой  и обратной  реакций можно записать так:

После увеличения концентраций в 2 раза конечная скорость прямой реак-ции стала иметь вид:

т.е. скорость прямой реакции возросла в 16 раз:

А конечная скорость обратной реакции после увеличения концентраций в

2 раза стала иметь следующий вид:

т.е. скорость обратной реакции возросла в 4 раза:

Таким образом, при увеличении концентраций реагирующих веществ в

2 раза: V_пр­ в 16 раз, а V_обр­ в 4 раза.

Следовательно, химическое равновесие сместится в сторону прямой реакции.

Для наглядности результаты расчетов можно представить в «векторном» виде. В момент химического равновесия  или графически:

 

_пр

                                                                             ^обр

После увеличения концентраций реагирующих веществ в 2 раза  в 16 раз, а  только в 4 раза:

            п    р    я    м      а        я

обратная                         Сдвиг   

Как видно, преобладает направление прямой реакции.

Пример 2. Влияние изменения температуры на смещение химического равновесия.

Рассчитать, в какую сторону сместится химическое равновесие:

если повысить температуру на 30 ^о. Температурные коэффициенты экзотермической и эндотермической реакций соответственно равны 2 и 3.

Решение

По условию задачи – прямая реакция – экзо термическая; для нее g _экзо = 2,

а обратная реакция – эндо термическая; для нее g _эндо = 3.

В соответствии с правилом Вант-Гоффа при повышении температуры на 30 ^о скорость прямой реакции возрастает в:

а скорость обратной реакции возрастает в:

Таким образом, равновесие этой реакции при повышении температуры смещается в сторону обратной () реакции, так как  в 27 раз, а  только в 8 раз. При этом полученный вывод находится в соответствии с принципом Ле-Шателье: повышение температуры вызывает смещение химического равновесия в сторону эндо термической реакции, т.е. поглощения тепла.

Пример 3. Влияние изменения давления на смещение химического равно-весия.

Рассчитать, в какую сторону сместится химическое равновесие:

если повысить общее давление в системе в 2 раза.

Решение

До повышения давления в системе выражения для скоростей прямой и обратной реакций имели следующий вид:

При повышении давления в 2 раза концентрации всех реагирующих веществ увеличились в 2 раза. Следовательно, решение задачи и вывод будут такими же, как в рассмотренном выше примере 1. А именно: при повышении давления в 2 раза  в 16 раз, а  в 4 раза, следовательно, химическое равновесие сместится в сторону прямой реакции. При этом полученный вывод находится в соответствии с принципом Ле-Шателье: повышение давления смещает химическое равновесие в сторону процесса, сопровождающегося уменьшением объема ( pV =const! ); в нашем случае в сторону прямой реакции – синтеза аммиака.

Анализ решения примеров 1, 2 и 3 позволяет сделать следующие выводы.

Вывод I. Для смещения равновесия в сторону большего выхода аммиака в рассмотренной равновесной системе согласно принципу Ле-Шателье необходимо:

а) повышать концентрации исходных веществ H_2(г) и N_2(г);

б) уменьшать концентрацию NH_3(г) удалением его из сферы реакции;

в) понижать температуру;

г) повышать давление.

Вывод II.   Если на систему, находящуюся в равновесии:

одновременно действуют два фактора, например, повышение температуры на 30 ^о при g _экзо = 2 и g _эндо = 3 (см.пример 2) и повышение давления в системе в 2 раза (см. прмер 3), причем оба фактора, как показали расчеты, действуют в противоположных направлениях, то для получения окончательного вывода о том, в сторону какой реакции (прямой или обратной) сместится равновесие, необходимы дополнительные расчеты. А именно: скорость прямой реакции от действия обоих факторов увеличивается в:

8   х    16 = 128 раз,

                   (см. пример 2)  (см. пример 3).

а скорость обратной реакции от действия обоих факторов увеличивается только в:

27   х    4 = 108 раз.

                      (см. пример 2)    (см. пример 3).

Следовательно, окончательный вывод – равновесие смещается в сторону прямой реакции – синтеза аммиака.

Пример 4. Вычисление равновесных концентраций реагирующих веществ после смещения химического равновесия.

Химическое равновесие:

установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ (моль/л):

Равновесие системы было нарушено из-за уменьшения концентрации H₂O до 11 моль/л. Вычислить, какими стали новые равновесные концентрации реагирующих веществ после сдвига равновесия.

Решение

Согласно принципу ле-Шателье при уменьшении концентрации одного из продуктов реакции химическое равновесие смещается в сторону его образования. Поэтому при уменьшении концентрации H₂O равновесие сместится в сторону прямой (®) реакции.

Смещение химического равновесия в системе в сторону прямой реакции вызывает уменьшение концентраций исходных веществ CO₂ и Н₂ и увеличение концентраций продуктов реакции CO и H₂O. Все вещества в данной реакции реагируют в одинаковом соотношении 1: 1 (см. стехиометрические коэффициен-ты), поэтому изменение концентраций всех реагирующих веществ (DС) обозна-чим через «х» моль/л.

Для наглядности представим результаты в виде таблицы:

 

Равновесные концентрации веществ (до смещения равновесия), моль/л	DС, моль/л	Равновесные* концентрации веществ (после смещения равновесия), моль/л

 

Константа равновесия данной реакции равна:

Использовав значение K_C, получаем:

Первое значение « » отбрасываем, так как уменьшение концентраций CO₂ и H₂ не может быть большим, чем исходные концентрации этих веществ. искомое значение: = 0, 44 моль/л.

Следовательно, после смещения равновесия новые равновесные концентра-ции реагирующих веществ стали следующие (моль/л):                   

Задачи для самостоятельного решения

6-1. Написать выражения закона действия масс для реакций:

а) 2NO_(г) + Cl_2(г) ® 2NOCl_(г),

б) CaCO_3(к) ® СaO_(к) + СО_2(г),

в) C _(к) + H ₂ O _(г) ® CO _(г) + H _2(г),

г) 4 NH _3(г) + 3О_2(г) ® 2 N _2(г) + 6 H ₂ O _(г),

д) FeO _(к) + H _2(г) ® Fe _(к) + H ₂ O _(ж).

6-2. Вычислить количество молей аммиака NH₃ в 1 л, если 0, 34 г аммиака занимают объем 400 мл. (0, 05 моль/л)

6-3. Концентрация кислоты в первом растворе 0, 15 моль/л, а концентрация спирта в другом растворе 0, 20 моль/л. Смешали 30, 0 мл первого и 20, 0 мл второго раствора. Вычислить концентрацию кислоты и спирта в смеси.

    (С_к-ты= 0, 09 моль/л; С_спирта= 0, 08 моль/л)

6-4. Концентрация газообразного хлора Cl _2(г) 0, 125 моль/л. Определить, какой станет концентрация хлора:

а) при увеличении объема в 5 раз;

б) при уменьшении объема в 3 раза. ( а) 0, 025 моль/л; б) 0, 375 моль/л).

6-5. Концентрация газа при 5 атм составляет 0, 18 моль/л. определить, какой станет концентрация газа:

а) при увеличении давления до 50 атм;

б) при уменьшении давления до 1 атм. ( а) 1, 8 моль/л; б) 0, 036 моль/л)

6-6. Исходя из состава воздуха (об. %: N _2(г) - 78, O _2(г) – 21), вычислить концентрацию азота и кислорода в нем (моль/л) при нормальных условиях.

 ([N₂] = 0, 0348 моль/л; [ O ₂ ] = 0, 0094 моль/л)

6-7. Реакция идет по уравнению: N _2(г) + O _2(г) ® 2 NO _(г). Концентрация исходных веществ до начала реакции была (моль/л): [ N ₂ ] = 0, 049; [ O ₂ ] = 0, 010. Вычислить концентрацию участвующих в реакции веществ в момент, когда [NО] станет 0, 005 моль/л. ([ N ₂ ] = 0, 0465 моль/л; [ O ₂ ] = 0, 0075 моль/л)

6-8. Реакция идет по уравнению: N _2(г) + 3Н_2(г) ® 2 N Н_3(г). Концентрации участвующих в ней веществ были (моль/л): [ N ₂ ] = 0, 8; [Н₂] = 1, 5; [ N Н₃] = 0, 1.

Вычислить концентрации веществ в момент, когда [ N ₂ ] станет 0, 5 моль/л.

([Н₂] = 0, 6 моль/л; [ N Н₃] = 0, 7 моль/л)

6-9. Окисление аммиака идет по уравнению:

4 NH _3(г) + 5О_2(г) ® 4 N О_(г) + 6 H ₂ O _(г).

Через некоторое время после начала реакции концентрации участвующих в ней веществ были (моль/л): [ NH ₃ ] = 0, 009; [ O ₂ ] = 0, 020; [ NO ] = 0, 003. Вычислить:

а) концентрацию водяного пара в этот момент;

б) начальную концентрацию аммиака и кислорода.

          (а) [Н₂ O ] = 0, 0045 моль/л; б) [ NH ₃ ]_нач = 0, 012 моль/л; [ O ₂ ]_нач = 0, 02375 моль/л)

6-10. Определить, чему равна средняя скорость химической реакции, если концентрация одного из реагирующих веществ в начальный момент была равна 1, 2 моль/л, а через 50 минут стала 0, 3 моль/л.                                                                        (V_ср = 0, 018 моль/л× мин)

6-11. Реакция идет по уравнению: H _2(г) + J _2(г) ® 2 HJ _(г). Константа скорости этой реакции при 508 ^оС равна 0, 16. Исходные концентрации реагирующих веществ равны (моль/л): [ H ₂ ] = 0, 04; [J ₂ ] = 0, 05. Вычислить начальную скорость реакции и скорость ее, когда [ H ₂ ] станет 0, 03 моль/л.                                                                            ( V _нач =3, 2× 10^{− 4}; V _t =1, 9× 10^{− 4})

6-12. реакция идет по уравнению: 2 N О_(г) + О_2(г) ® 2 N О_2(г). Концентрации реагирующих веществ были (моль/л): [ NO ] = 0, 03; [O ₂ ] = 0, 05. Рассчитать, как изменится скорость реакции вследствие увеличения концентрации кислорода до 0, 10 моль/л и концентрация оксида азота (II) до 0, 06 моль/л.                                                                                      (Увеличится в 8 раз)

6-13. Рассчитать, во сколько раз следует увеличить концентрацию О₂ в системе:

2N _2(г) + О_2(г) ® 2 N ₂ О_(г), чтобы при уменьшении концентрации N ₂ в 4 раза скорость реакции не изменилась.              (в 16 раз)

6-14. Рассчитать, как изменится скорость реакции: 2SO _2(г) + O _2(г) ® 2 SO _3(г), если:  

а) понизить давление в системе в 3 раза;

б) уменьшить объем системы в 3 раза;

в) повысить концентрацию SO₂ в 3 раза;

г) понизить концентрацию O₂ в 3 раза.          (а) понижается в 27 раз;

                                                                         б) возрастает в 27 раз;

                                                                         в) возрастает в 9 раз;

                                                                         г) понижается в 3 раза)

6-15. Разложение оксида азота (I) на поверхности золота при высоких температурах протекает по уравнению: 2 N ₂ O _(г) ® 2 N _2(г) + O _2(г). Константа скорости данной реакции при 900 ^оС равна 0, 0005 л× моль^{− 1}× мин^{− 1}. Начальная концентрация N ₂ O - 3, 2 моль/л. Определить скорость реакции при указанной температуре в начальный момент и когда произойдет разложение 25 % оксида азота (I). ( V _нач = 51, 2× 10^{− 4}; V _t = 28, 8× 10^{− 4} моль× л^{− 1}× мин^{− 1}).

6-16. Для того чтобы увеличить в 216 и 256 раз скорость реакции синтеза аммиака: 3Н_2(г) + N _2(г) ® 2 N Н_3(г), рассчитать, во сколько раз надо повысить в I-ом случае концентрацию H ₂, а во II-ом – давление. ([ H ₂ ] повышают в 6 раз; давление повышают в 4 раза)

6-17. Реакция протекает по уравнению:

Na ₂ S ₂ O _3(ж) + H ₂ SO _4(ж) ® Na ₂ SO _4(ж) + H ₂ SO _3(ж) + S _(к).

Рассчитать, как изменится скорость реакции после разбавления реагирующей смеси в 4 раза.       (Понижается в 16 раз)

6-18. Как повлияет понижение давления на смещение равновесия в следующих гомогенных газовых системах:

6-19. Как повлияет повышение давления на смещение равновесия в следующих гомогенных газовых системах:

6-20. Как повлияет повышение давления на смещение равновесия в следующих гетерогенных системах:

6-21. Как изменится скорость реакций при повышении давления в 2 раза:

         (Повышается: а) в 2 раза; б) в 128 раз; в) в 256 раз)

6-22. Как надо изменить давление, чтобы скорость реакций

увеличить соответственно в 36 и 16 раз?     (Повысить: а) в 6 раз; б) в 2 раза)

6-23. Константа скорости некоторой реакции при 273 и 298 К равна соответственно 1, 17 и 6, 56 л× моль^{− 1}× мин^{− 1}. Определить температурный коэффициент скорости реакции.    ( g = 2, 0)

6-24. Определить, во сколько раз увеличится скорость растворения железа в 5 % растворе HCl при повышении температуры на 32 ^о, если температурный коэффициент скорости растворения равен 2, 8.      (Повышается в 27 раз)                                            

6-25. Вычислить, при какой температуре реакция закончится за 45 минут, если при 293 К на это требуется 3 часа. Температурный коэффициент скорости реакции равен g = 3, 2.  (304, 9 К)

6-26. Две реакции при 283 К протекают с одинаковой скоростью. Температурный коэффициент скорости I-ой и II-ой реакции равны соответственно 2, 5 ( g _I = 2, 5) и 3, 0 ( g _II = 3, 0). Определить, как будут относиться скорости реакций, если I-ую из них провести при 350 К, а II-ую – при 330 К.                                                                                       ( V_I / V_II = 2, 65).

6-27. При 150 ^оС некоторая реакция заканчивается за 16 минут. Принимая температурный коэффициент скорости реакции равным 2, 5, рассчитать, через какое время закончится эта реакция, если проводить ее: а) при 200 ^оС; б) при 80 ^оС.  (а) 9, 8 с; б) 162 ч 46 мин)

6-28. Две реакции протекают при 25 ^оС с одинаковой скоростью. Температурный коэффициент скорости I-ой реакции равен 2, 0 ( g _I = 2, 0), а II-ой - g _II = 2, 5. Определить отношение скоростей этих реакций при 95 ^оС.  (V_II / VI_I = 4, 77)                              

6-29. Определить температурный коэффициент скорости реакции, если при повышении температуры на 30^о скорость реакции возрастает в 15, 6 раза.                                ( g = 2, 5)

6-30. Температурный коэффициент скорости некоторой реакции равен g = 2, 3. Рассчитать, как изменится скорость этой реакции, если понизить температуру на 25 градусов. (Понижается в 8 раз)

6-31. Энергия активации реакции разложения: N ₂ O _5(г) ® N ₂ O _4(г) + 1/2 O _2(г) равна 103, 5 кДж/моль. Константа скорости этой реакции при 298 К равна 2, 03× 10^{− 3} с^{− 1}. Вычислить константу скорости этой реакции при 288 К.                                                ( k = 4, 76× 10^{− 4} с^{− 1})

6-32. Рассчитать энергию активации реакции, если при повышении температуры от 290 до 300 К скорость ее увеличивается в 2 раза.  

( E _акт = 49, 9 кДж/моль)

6-33. Энергия активации реакции: O _3(г) + NO _(г) ® O _2(г) + NO _2(г) равна 10 кДж/моль. Рассчитать, во сколько раз изменится скорость реакции при повышении температуры от 27 до 37 ^оС.                 (Повышается в 1, 14 раза)

6-34. Рассчитать, во сколько раз увеличится скорость реакции, протекающей при 298 К, если энергию активации ее уменьшить на 4 кДж/моль.                                               (В 5 раз)                                                         

6-35. Написать выражения для констант равновесия следующих обратимых химических реакций:

 

 

РАСТВОРЫ

⇐ Предыдущая10111213141516171819Следующая ⇒

Поделиться: