Химическое равновесие. Реакции, протекающие в двух взаимно противоположных направлениях, называют обратимыми

Реакции, протекающие в двух взаимно противоположных направлениях, называют обратимыми. Реакцию, протекающую в правую сторону (®), называют прямой, а в левую () – обратной.

Химическим равновесием называется такое состояние системы, при котором скорости прямой и обратной реакций равны. При этом равенство является кинетическим условием равновесия, а равенство D G _Р.Т = 0 – термодинамическим.

Концентрации реагирующих веществ, установившиеся к моменту наступления равновесия, называются равновесными.

Константой равновесия К _р химической реакции называется величина, равная отношению констант скоростей прямой и обратной реакции или отношению произведения равновесных концентраций продуктов реакции к произведению равновесных концентраций исходных веществ в степенях, равных их коэффициентам в уравнении реакции. Т.е. для обратимой реакции:

,

. (15)

Константа равновесия зависит от природы реагирующих веществ и температуры и не зависит от исходных концентраций веществ в системе.

В случае гетерогенных реакций концентрации веществ, находящихся в твёрдой фазе, постоянны и не входят в выражение константы равновесия.

Система находится в равновесии, пока сохраняются постоянными условия, при которых оно установилось (концентрации, температура, давление). При изменении одного из условий происходит изменение равновесных концентраций реагирующих веществ, называемое смещением или сдвигом химического равновесия. Направление, в котором сместилось равновесие, определяется по принципу Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказать внешнее воздействие, то равновесие сместится в направлении, ослабляющем это воздействие.

Так, повышение температуры приводит к смещению равновесия в сторону реакции, идущей с поглощением тепла, т.е. эндотермической, а понижение – в сторону экзотермической.

Повышение давления смещает равновесие в сторону реакции, идущей с уменьшением числа газообразных молекул, т.е. с понижением давления, и, наоборот, понижение давления смещает равновесие в сторону реакции, идущей с повышением давления.

Уменьшение концентрации одного из веществ, участвующих в реакции, приводит к смещению равновесия в сторону образования этого вещества, а увеличение – в сторону его расхода.

Стандартная энергия Гиббса DG⁰ связана с константой равновесия химической реакции Кр следующим уравнением:

(16)

Пример 1. Константа равновесия гомогенной системы А_(г) + В_(г) 2С_(г) равна 0,5. Вычислите равновесные концентрации реагирующих веществ С р, если начальные концентрации равны С _Ан=3 моль/л, С _Вн=5 моль/л.

В начальный момент вещества С не было. Составим таблицу концентраций:

Концентрации	Вещество
А	В	С
С н			-
D С	х	х	2 х
С р	3- х	5- х	2 х

Пусть к моменту установления равновесия С _Ан и С _Вн уменьшатся на x молей. Так как из 1 моля А и В образуется 2 моля вещества С, то D С _С= 2 х моль/л. В выражение константы равновесия входят равновесные концентрации веществ:

Подставив значения, получим:

Отсюда 4 х = 0,5(15-8 х + х ²); х = 1 моль/л.

Таким образом, искомые равновесные концентрации равны:

С _Ар = 3-1 = 2 моль/л; С _Вр = 5-1 = 4 моль/л; С _Ср = 2×1 = 2 моль/л.

Пример 2. При синтезе аммиака равновесие установилось при следующих концентрациях веществ (моль/л): = 2,5; = 1,8; = 3,6. Рассчитайте константу равновесия реакции и исходные концентрации азота и водорода. При каких условиях равновесие данной реакции смещается в сторону синтеза аммиака?

Определим константу равновесия К с этой реакции

Составляем таблицу. Исходные концентрации находим по уравнению реакции.

Концентрации	Вещество
Н 2	N 2	NH 3
С н	7,2	4,3	–
D С	5,4	1,8	3,6
С р	1,8	2,5	3,6

В начальный момент аммиака в системе не было, т.е. С н (NH₃) = 0.

По уравнению реакции на образование 2-х молей NH₃ расходуется 1 моль N₂, а на образовании 3,6 молей NH₃ израсходовано 3,6: 2 = 1,8 молей азота. Тогда начальная концентрация азота:

C н (N₂) = C p (N₂) + D С = 2,5 + 1,8 = 4,3 моль/л.

Аналогично на образование 2-х молей NH₃ необходимо израсходовать 3 моля H ₂, а для получения 3,6 молей NH₃ требуется

моля, т.е. C н (Н₂) = 1,8 + 5,4 = 7,2 моль/л.

Чтобы сместить равновесие эндотермической реакции синтеза аммиака в сторону прямой реакции, нужно:

а) повысить температуру, т.к. реакция эндотермическая;

б) увеличить давление, т.к. прямая реакция идёт с уменьшением давления, т.е. с образованием меньшего числа молей газа;

в) увеличить концентрации N₂ и H₂ и уменьшить концентрацию NH₃.

Пример 3. Химическое равновесие реакции _(г) установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ (моль/л): . Равновесие системы было нарушено из-за уменьшения концентрации Н₂О до 11 моль/л. Вычислите новые равновесные концентрации реагирующих веществ (С ¢р) после смещения равновесия. Составляем таблицу.

Концентрации	Вещество
СО2	Н2	СО	Н2О
С н
D С	х	х	х	х
С ¢р	7-х	5-х	10+х	11+х

Согласно принципу Ле Шателье, при уменьшении концентрации Н₂О равновесие сместилось в сторону прямой реакции, т.е. концентрации СО₂ и Н₂ уменьшились, а СО и Н₂О увеличились на одинаковую величину, т.к. все вещества реагируют в одинаковом соотношении.

Обозначим изменение концентраций всех веществ через х моль/л. После смещения равновесия новые равновесные концентрации реагирующих веществ стали (см. последнюю строку таблицы).

Используя первую строку таблицы, вычислим константу равновесия для данной реакции:

В уравнение для константы подставим новые равновесные концентрации

.

Раскроем это выражение: 140 – 48 х + х ² = 110 + 21 х + х ².

Упростим: х ² – 23 х + 10 = 0.

Вычислим корни уравнения .

Первый корень х₁=22,6 отбрасываем, т.к. уменьшение концентраций СО₂ и Н₂ не может быть больше, чем исходные концентрации этих веществ;

х₂ = 0,44 моль/л.

Следовательно, после смещения равновесия новые равновесные концентрации реагирующих веществ стали (моль/л):

Пример 4. Рассчитайте стандартную энергию Гиббса химической реакции при 800 К, если константа равновесия Кр =10⁸.

Подставляя в уравнение численные значения, получаем:

.

ЗАДАЧИ

61. Константа равновесия гомогенной системы равна 50. Вычислите равновесные концентрации реагирующих веществ, если исходные концентрации веществ А и В соответственно равны 0,5 и 0,7 моль/л.

Ответ: С_А = 0,06; С_В = 0,26; С_С = 0,88 моль/л.

62. Реакция протекает по уравнению СО_(г) + Сl_2(г) «COCl_2(г). Начальные концентрации СО и Cl₂ равны (моль/л): С_СО =0,28; С_Сl2 =0,09. Равновесная концентрация СО равна 0,2 моль/л. Вычислите константу равновесия.

Ответ: 40.

63. Реакция протекает по уравнению А_(г) + В_(г) «С_(г) + D_(г). Исходные концентрации веществ А и В 0,8 моль/л, а равновесная концентрация С 0,6 моль/л. Вычислите константу равновесия.

Ответ: 9.

64. В системе равновесные концентрации равны (моль/л): ; С _NO = 0,24; = 0,12. Вычислите константу равновесия и исходную концентрацию NO₂.

Ответ: 1,92; 0,3 моль/л.

65. Равновесные концентрации в системе N₂O₄ «2NО₂ равны: моль/л. Вычислите равновесные концентрации после смещения равновесия в результате увеличения давления в 3 раза.

Ответ: моль/л.

66-69. Химическое равновесие гомогенной системы установилось при концентрациях (моль/л), указанных в таблице. Затем концентрацию одного из веществ увеличили (+) или уменьшили (-) на величину, указанную в скобках. Вычислите новые равновесные концентрации веществ после смещения равновесия.

№ задачи	А	В	С	D
			6(-6)
	0,04	0,64(+0,96)	0,16	0,16
				8(+8)
			12(-12)

Ответы: 66) С_А = 6,52; С_В = 5,52; С_С = 2,48; С_D =14,48 моль/л.

67) С_А = 0,02; С_В = 1,58; С_С = 0,18; С_D = 0,18 моль/л.

68) С_А = 2,85; С_В = 20,85; С_С = 3,15; С_D =15,15 моль/л.

69) С_А = 13,04; С_В = 11,04; С_С = 4,96; С_D =28,96 моль/л.

70. Химическое равновесие реакции А_(г) «В_(г) + С_(г) установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ (моль/л): С_А=10; С_В= 2; С_С= 4. В равновесную систему добавили вещество С в количестве 4 моль/л. Вычислите новые равновесные концентрации реагирующих веществ после смещения равновесия.

Ответ: С_А = 10,8; С_В = 1,2; С_С = 7,2 моль/л.

71. Равновесные концентрации веществ, участвующих в реакции

, равны (моль/л):. = 0,02; = 0,32; = 0,08; = 0,08. Вычислите новые равновесные концентрации после смещения равновесия вследствие увеличения концентрации С₂Н₅ОН в 4 раза.

Ответ: = 0,007; = 1,267; = =0,093 моль/л.

72. При температуре 900 К константа равновесия равна 100. Вычислите стандартную энергию Гиббса при этой температуре.

Ответ: D G ⁰ = - 34,4 кДж/моль.

73. Стандартная энергия Гиббса равна – 46 кДж/моль. Вычислите константу равновесия реакции при 600 К.

Ответ: 10⁴.

74. Исходные концентрации SO₂ и O₂ в системе соответственно равны (моль/л): 0,03 и 0,015. К моменту наступления равновесия концентрация SO₂ стала равной 0,01 моль/л. Вычислите равновесные концентрации остальных реагирующих веществ.

Ответ: = 0,005; = 0,02 моль/л.

75. Исходные концентрации NO и Cl₂ в системе 2NO + Cl₂ «2NOCl равны (моль/л): C_NO = 0,5; = 0,2. Вычислите константу равновесия, если к моменту наступления равновесия прореагировало 20% NO.

Ответ: 0,416.

76. В системе H_2(г) + I_2(г) «2НI_(г) установились к моменту равновесия следующие концентрации реагирующих веществ (моль/л): = 0,25; = 0,05; C_HI = 0,9. Вычислите начальные концентрации.

Ответ: = 0,7; = 0,5 моль/л.

77. Равновесные концентрации веществ в системе CO + Cl₂ «COCl₂ равны (моль/л): C_CO = 0,02; ; = 0,02 моль/л. Равновесие нарушено вследствие увеличения концентрации Cl₂ до 0,03 моль/л. Вычислите новые равновесные концентрации после смещения равновесия.

Ответ: C_CO = 0,013; ; = 0,027 моль/л.

78. Равновесные концентрации веществ, участвующих в реакции , равны (моль/л): = 0,005; = 0,06; =0,08. Вычислите новые равновесные концентрации после смещения равновесия вследствие увеличения концентрации хлора в 2 раза.

Ответ: = 0,009; = 0,056; = 0,156 моль/л.

79-80. Реакции протекают по уравнению 2A «2B + C. Найдите начальную концентрацию вещества А при заданной константе равновесия К и равновесной концентрации вещества С, моль/л.

№ задачи	К	[ C ]
		0,4

Ответы: 79) 6; 80) 1,3.

Дата добавления: 2014-11-25