Пример 5. Равновесие системы 2SO2 + O2 D 2SO3 установилось, когда концентрации компонентов (моль/л) были: [SO2]равн

Пример 4.

Равновесие системы 2SO₂ + O₂ D 2SO₃ установилось, когда концентрации компонентов (моль/л) были: [SO₂]_равн. = 0,6; [O₂]_равн. = 0,24; [SO₃]_равн. = 0,21.

Вычислите константу равновесия этой реакции и исходные концентрации кислорода и диоксида серы.

Решение.

Химическим равновесием называется такое состояние, когда скорости прямой и обратной реакций равны. Характеризуется химическое равновесие константой К, она имеет вид

aA + bB D cC + dD,

K= ([C]^c ´ [D]^d) / ([A]^a ´ [B]^b).

В условии задачи даны равновесные концентрации. Поэтому сразу можно рассчитать константу химического равновесия для реакции:

2SO₂ + O₂ D 2SO₃,

K = [SO₃]² / [SO₂]² ´ [O₂] = 0,21² / 0,6² ´ 0,24 = 0,51.

Чтобы рассчитать исходные концентрации кислорода и диоксида серы, необходимо найти, сколько этих компонентов было израсходовано на получение 0,21 моля триоксида серы и сложить с равновесными концентрациями. Согласно уравнению реакции для получения 2 молей триоксида серы требуется 2 моля диоксида серы, а для получения 0,21 моля триоксида серы - Х молей диоксида серы. Отсюда

X = 0,21 ´ 2 / 2 = 0,21 моля.

Итак, [SO₂]_изр. = 0,21 моль/л.

На получение SO₃ было израсходовано 0,21 моля SO₂, тогда

[SO₂]_исх. = [SO₂]_равн. + [SO₂]_изр. = 0,6 + 0,21 = 0,81 моль/л,

[SO₂]_исх = 0,81 моль/л.

Для получения 2 молей SO₃ требуется 1 моль O₂.

Для получения 0,21 моля SO₃ - X молей O₂.

X = (0,21 ´ 1) / 2 = 0,105 молей.

Итак, [O₂]_изр. = 0,105 моль/л.

[O₂]_исх. = [O₂]_равн. + [O₂]_изр. = 0,24 + 0,105 = 0,345 моль/л.

В каком направлении сместится равновесие в реакциях:

1. CO_(г) + H₂O_(г) D CO_2(г) + H_2(г), DH⁰ = -41,84 кДж;

2. N_2(г) + 3H_2(г) D 2NH_3(г), DH⁰ = 92,40 кДж;

3. H_2(г) + S_(тв) D H₂S_(г), DH⁰ = -20,50 кДж,

при повышении температуры, понижении давления и увеличении концентрации водорода?

Решение.

Химическое равновесие в системе устанавливается при постоянстве внешних параметров (Р, С, Т и др.) Если эти параметры меняются, то система выходит из состояния равновесия и начинает преобладать прямая или обратная реакции. Влияние различных факторов на смещение равновесия отражено в принципе Ле-Шателье: «Если на систему, находящуюся в равновесии, оказать какое-либо воздействие, то равновесие сместится в таком направлении, что оказанное воздействие уменьшится». Используем этот принцип для решения задачи.

При повышении температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, т. е. реакции, идущей с поглощением тепла. Первая и третья реакции - экзотермические (DH⁰ < 0), следовательно, при повышении температуры равновесие сместится в сторону обратной реакции, а во второй реакции (DH⁰ > 0) - в сторону прямой реакции.

При понижении давления равновесие смещается в сторону возрастания числа молей газов, то есть в сторону большего давления. В первой и третьей реакциях в левой и правой частях уравнения одинаковое число молей газов (2-2 и 1-1 соответственно). Поэтому изменение давления не вызовет смещения равновесия в системе. Во второй реакции в левой части 4 моля газов, в правой - 2 моля, поэтому при понижении давления равновесие сместится в сторону обратной реакции.

При увеличении концентрации компонентов реакции равновесие смещается в сторону их расхода. В первой реакции водород находится в продуктах и увеличение его концентрации усилит обратную реакцию, в ходе которой он расходуется. Во второй и третьей реакциях водород входит в число исходных веществ, поэтому увеличение его концентрации смещает равновесие в сторону прямой реакции, идущей с расходом водорода.

Задания

121. Окисление серы и ее диоксида протекает по уравнениям:

a) S (к) + O₂ (r) = SO₂ (г);

б) 2SO₂ (г) + О2 (г) = 2SO₃ (г).

Как изменятся скорости этих реакций, если объемы каждой из систем уменьшить в четыре раза?

122. Напишите выражение для константы равновесия гомогенной системы N₂ + 3H₂ D 2NH₃. Как изменится скорость прямой реакции образования аммиака, если увеличить концентрацию водорода в три раза?

123. Реакция идет по уравнению N₂ + O₂ = 2NO. Концентрации исходных веществ до начала реакция были: [N₂] = 0,049 моль/л; [О₂] = 0,01 моль/л. Вычислите концентрацию этих веществ в момент, когда [NO]=0,005 моль/л. Ответ: [N₂] = 0465 моль/л; [О₂] = 0,0075 моль/л.

124. Реакция идет по уравнению N₂ + 3H₂ = 2NH₃. Концентрации участвующих в ней веществ были: [N₂] = 0,80 моль/л, [Н₂] = 1,5 моль/л; [NH₃] = 0,10 моль/л. Вычислите концентрацию водорода и аммиака, когда [N₂] = 0,5 моль/л. Ответ: [NH₃] = 0,7 моль/л; [H₂ ] = 0,60 моль/л.

125. Реакция идет по уравнений H₂ + J₂ = 2НJ. Константа скорости этой реакции при 508 ⁰С равна 0,16. Исходные концентрации реагирующих веществ: [H₂] = 0,04 моль/л;[J₂] = 0,05 моль/л. Вычислите начальную скорость реакции и скорость ее, когда [H₂] = 0,03 моль/л. Ответ: 3,2×10^–4; 1,92×10^–4.

126. Вычислите, во сколько раз уменьшится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, если понизить температуру от 120 до 80°С. Температурный коэффициент скорости реакции 3.

127. Как изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры на 60°, если температурный коэффициент скорости данной реакции 2?

128. Как изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при понижении температуры на 30°, если температурный коэффициент скорости данной реакции 3?

129. Напишите выражение для константы равновесия гомогенной системы 2SO₂ + O₂ D 2SO₃. Как изменится скорость прямой реакции – образования SO₃, если увеличить концентрацию SO₂ в три раза?

130. Напишите выражения для константы равновесия гомогенной системы CH₄ + CO₂ D 2CO + 2H₂. Как следует изменить температуру и давление, чтобы повысить выход водорода? Реакция образования водорода эндотермическая.

131. Реакция идет по уравнению 2NО + О₂ = 2NО₂. Концентрации исходных веществ: [NO] = 0,03 моль/л; [О₂] = 0,05 моль/л. Как изменится скорость реакции, если увеличить концентрацию кислорода до 0,10 моль/л и концентрацию NO до 0,06 моль/л?

132. Напишите выражение для константы равновесия гетерогенной системы CО₂ + С D 2CO. Как изменится скорость прямой реакции – образования СО, если концентрацию СО₂ уменьшить в четыре раза? Как следует изменить давление, чтобы повысить выход СО?

133. Напишите выражение для константы равновесия гетерогенной системы C + H₂O (г) D СО + Н₂. Как следует изменить концентрацию и давление, чтобы сместить равновесие в сторону обратной реакции – образования водных паров?

134. Равновесие гомогенной системы

4HCl (г) +O₂ (г) D 2H₂О (г) + Cl₂ (г)

установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ: [Н₂О] = 0,14 моль/л; [Сl₂] = 0,14 моль/л; [НС1] = 0,20 моль/л; [O₂] = 0,32 моль/л. Вычислите исходные концентрации хлороводорода и кислорода

Ответ: [HCI]_исх. = 0,48 моль/л; [О₂]_исх. = 0,39 моль/л.

135. Вычислите константу равновесия для гомогенной системы

СО (г) + Н₂О (г) D СО₂ (г) + Н₂ (г)

если равновесные концентрации реагирующих веществ: [СО]= 0,004 моль/л; [H₂O] = 0,064 моль/л; [СО₂] = 0,016 моль/л; [H₂]-=0,016 моль/л. Ответ: К=1.

136. Константа равновесия гомогенной системы

СО (г) + Н₂О (г) D СО₂ (г) + Н₂ (г)

при некоторой температуре равна 1. Вычислите равновесные концентрации всех реагирующих веществ, если исходные концентрации: [CO] = 0,10 моль/л; [H₂O] = 0,40 моль/л.

Ответ: [CO₂] = [H₂] = 0,08 моль/л [СО] = 0,02 моль/л; [Н₂О] = 0,32 моль/л.

137. Константа равновесия гомогенной системы N₂ + 3H₂ D 2NH₃ при температуре 400 ⁰С равна 0,1. Равновесные концентрации водорода и аммиака соответственно равны 0,2 и 0,08 моль/л. Вычислите равновесную и исходную концентрацию азота. Ответ: 8 моль/л; 8,04 моль/л.

138. При некоторой температуре равновесие гомогенной системы 2NO+O₂ D 2N₂ установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ: [NO] = 0,2 моль/л; [О₂] = 0,1 моль/л; [NO₂] = 0,1 моль/л. Вычислите константу равновесия и исходную концентрацию NO и О₂.

Ответ: К = 2,5; [NO] = 0,3 моль/л; [О₂] = 0,15 моль/л.

139. Почему при изменении давления смещается равновесие системы

N₂ + 3H₂ D 2NH₃ и не смещается равновесие системы N₂ + O₂ D 2NO? Напишите выражения для констант равновесия каждой из данных систем.

140. Исходные концентрации NO и Cl₂ в гомогенной системе 2NО + Cl₂ D 2NOCl составляют соответственно 0,5 и 0,2 моль/л. Вычислите константу равновесия, если, к моменту наступления равновесия прореагировало 20% NО. Ответ: 0,416.

Способы выражения концентрации растворов

Дата добавления: 2014-10-31