Химическое равновесие

Влияние температуры на скорость химической реакции.

Зависимость скорости реакции от температуры определяется правилом Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые 10^о градусов скорость химической реакции увеличивается в 2-4 раза (в γ раз):

,

где V_t2 и V_t1 –скорости реакции соответственно при температурах t₂ и t₁ ; γ - температурный коэффициент реакции и принимает значения для большинства реакций от 2 до 4.

Пример 14. Температурный коэффициент скорости химической реакции равен 2,1. Во сколько раз возрастёт скорость реакции при увеличении температуры в реакционном сосуде с 15 до 38^оС?

Р е ш е н и е. В соответствии с правилом Вант-Гоффа:

; .

Химические реакции, в результате которых исходные вещества полностью превращаются в продукты реакции, называются необратимыми. Реакции, идущие одновременно в двух противоположных направлениях (прямом и обратном), называются обратимыми.

Состояние системы в обратимых реакциях при равенстве скоростей прямой и обратной реакций (V_пр=V_обр) называется состоянием химического равновесия. Химическое равновесие является динамическим, т.е. его установление не означает прекращения реакции. В общем случае для любой обратимой реакции типа

aA + bB ↔ cC + dD

При установившемся равновесии произведение концентраций продуктов реакции, отнесённые к произведению концентраций исходных веществ для данной реакции при данной температуре представляет собой постоянную величину, называемую константой равновесия К.

Изменение условий (температура, давление, концентрация), при которых система находилась в состоянии химического равновесия (V_пр=V_обр), вызывает нарушение равновесия. В результате неодинакового изменения скоростей прямой и обратной реакции (V_пр≠ V_обр) с течением времени в системе устанавливается новое химическое равновесие (V_пр=V_обр), соответствующее новым условиям. Переход из одного равновесного состояния в другое называется сдвигом, или смещением положения равновесия.

Направление смещения химического равновесия в результате изменения внешних условий определяется принципом Ле Шателье:

Если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказать внешнее воздействие, то оно будет способствовать протеканию того из двух противоположных процессов, который противодействует произведённому изменению.

Пример 15. В какую сторону сместится химическое равновесие в системе

CaCO_3(к) ↔ CaO_(к) + CO_2(г); ∆H=178,4 кДж/моль

а) при введении в систему углекислого газа;

б) при введении в систему оксида кальция;

в) при увеличении давления;

г) при увеличении температуры?

Р е ш е н и е. В соответствии с принципом Ле Шателье, равновесие в системе сдвигается таким образом, чтобы уменьшить внешнее воздействие.

а) Введение углекислого газа приводит к повышению концентрации СО₂. Для ослабления этого воздействия равновесие в системе должно сместиться влево.

б) Введение твёрдого оксида кальция не изменяет концентрацию CaO в фазе CaO_(к), и химическое равновесие не смещается.

в) Увеличение давления приводит к увеличению концентрации CO_2(г) и практически не влияет на концентрацию твёрдых компонентов. Равновесие сдвигается влево.

г) Увеличение температуры может быть скомпенсировано эндотермическим процессом. Поскольку именно прямая реакция протекает с поглощением тепла, равновесие в системе смещается вправо.

Фазой называется совокупность однородных частей системы (т.е. одинаковых по физическим, химическим и термодинамическим свойствам), отделённая от других частей системы физической (реально существующей) поверхностью раздела. Все химические термодинамические системы можно разделить на две большие группы - гомогенные и гетерогенные. Гомогенными (однофазными) называют системы, состоящие только из одной фазы, например, воздух – смесь газов. Системы, содержащие две или более число фаз, называются гетерогенными (неоднородными, разнофазными). Например, не растворившиеся в воде кристаллы поваренной соли образуют гетерогенную систему из двух фаз. В гетерогенной системе составные её части – фазы – разделены поверхностью раздела.

Индивидуальное вещество в твёрдом агрегатном состоянии всегда образует самостоятельную фазу.

Жидкие и твёрдые фазы называются конденсированными.

Если вещество содержится одновременно в разных фазах, то происходит его переход из одной фазы в другую; такой переход называется фазовым. Состояние, при котором скорости противоположных фазовых переходов равны, называется фазовым равновесием.

Компонентами (составляющими веществами) называются все химические вещества, которые могут быть выделены из системы и существовать вне её. Число компонентов обозначают буквой R.

Число независимых компонентов (К) – это минимальное число компонентов, необходимое для образования каждой из фаз данной системы. Если в системе не протекает химическая реакция, то число независимых компонентов (К) равно числу компонентов (R): К= R.

Если же в системе между компонентами протекают химические реакции, то число независимых компонентов меньше числа компонентов: К<R, поскольку некоторые компоненты могут быть получены в ходе данных реакций.

Число независимых компонентов (К) равно числу компонентов (R) минус число математических уравнений, связывающих концентрации компонентов.

Например, система состоит из трех газов: оксида углерода (II), кислорода и оксида углерода (IV), связанных химическим процессом:

2СО + О₂ = 2СО₂.

Уравнением, связывающим концентрации компонентов в данной системе, является константа равновесия данной реакции:

К_р =

К = R – 1 = 3 – 1 =2

Таким образом, чтобы получить данную систему, в произвольном количестве можно взять только два газа: СО и О₂, СО и СО₂, СО₂ и О₂; количество третьего газа определяется константой равновесия.

Числом термодинамических степеней свободы (С) называется число параметров (температура, давление, концентрация независимых компонентов), которые можно произвольно в определенных пределах изменять, не меняя числа и вида фаз в системе.

Число степеней свободы можно рассчитать, пользуясь правилом фаз Гиббса:

С = К – Ф + n,

где К – число независимых компонентов; Ф –число фаз; n – число внешних параметров, влияющих на состояние фазового равновесия. Такими внешними параметрами являются температура и давление. Если Р и Т – величины переменные, то n = 2. При P=const или Т = const n = 1. Если и Р = const и Т = const, то n = 0.

Если С=0, то система называется инвариантной (безвариантной). Если С = 1, то система называется моновариантной. Если С = 2, то система называется бивариантной.

Правило фаз Гиббса дает возможность вычислить максимальное число фаз, которые могут находиться в равновесии:

Ф = К + n – С.

Число фаз достигает максимального значения, когда С = 0:

Ф_max = К + n - 0.

В однокомпонентной системе (К = 1) максимальное число фаз, находящихся в равновесии, равно трем:

Ф_max = 1 + 2 =3,

в двухкомпонентной - Ф_max = 2 + 2 = 4, в трехкомпонентной - Ф_max = 3 + 2 =5 и т.д.

Вариант 1.

5. Не производя вычислений, установить знак ΔSº₂₉₈ процесса:

MgO_(к) + H_2(г) = Mg_(к) + H₂O_(ж)

6. Определите значения ΔGº₂₉₈, ΔHº₂₉₈ и ΔSº₂₉₈ для реакции:

NiO_(к) + Pb_(к) = Ni_(к) + PbO_(к)

7. Рассчитайте, как изменится скорость реакции

2А_(г) + В_(г) → 2С_(г), если:

а) увеличить концентрацию вещества А в 2раза;

б) увеличить концентрацию вещества В в 2 раза?

8. На сколько градусов необходимо изменить температуру в системе, чтобы скорость реакции увеличилась в 120 раз, если температурный коэффициент равен 3,2?

9. В какую сторону сместится равновесие в системе:

2Н_2(г) + O_2(г) ↔ 2Н₂O_(г) ΔHº = -484 кДж

- при увеличении давления

- при увеличении объёма системы

- при охлаждении системы

10. Вычислить число степеней свободы, которыми обладает система, состоящая из раствора KNO₃ и NaNO₃ в присутствии кристаллов обеих солей и паров воды.

Вариант 2.

5. Не производя вычислений, установить знак ΔSº₂₉₈ процесса:

С_{(графит)} + СО_2(г) = 2СО_(г)

6. Определите значения ΔGº₂₉₈, ΔHº₂₉₈ и ΔSº₂₉₈ для реакции:

2NН_3(г) = 3Н_2(г) + N_2(г)

7. Рассчитайте, как изменится скорость реакции

2А_(г) + В_(г) → 2С_(г), если:

а) увеличить давление в системе в два раза;

б) увеличить объём системы в два раза?

8. Температурный коэффициент скорости реакции равен 2,1. Рассчитайте, как изменится скорость реакции, если: а) увеличить температуру в системе с 18ºС до 43ºС; б) уменьшить температуру в системе с 55ºС до 8ºС?

9. В какую сторону сместится равновесие в системе:

H_2(г) + I_2(г) ↔ 2HI_(г) ΔHº = -26кДж

- при увеличении давления

- при увеличении объёма системы

- при охлаждении системы

10. Вычислить число степеней свободы, которыми обладает система, состоящая из раствора солей KNO₃ и NaNO₃ в присутствии льда, кристаллов обеих солей и паров воды.

Вариант 3.

5. Не производя вычислений, установить знак ΔSº₂₉₈ процесса:

СН₃СООН_(водн.) = СН₃СОО^-_(водн.) + Н⁺_(водн.)

6. Определите значения ΔGº₂₉₈, ΔHº₂₉₈ и ΔSº₂₉₈ для реакции:

СаСО_3(к) = СаО_(к) + СО_2(г)

7. Найти значение константы скорости реакции А + В → АВ, если при концентрациях веществ А и В, равных соответственно 0,05 и 0,01 моль/л, скорость реакции равна 5∙10^-5 моль/(л∙мин).

8. При повышении температуры на 40ºС скорость реакции возросла в 16,8 раза. Определите температурный коэффициент скорости реакции.

9. В какую сторону сместится равновесие в системе:

N_2(г) + O_2(г) ↔ 2NO_(г) ΔHº = 181 кДж

- при увеличении давления

- при увеличении объёма системы

- при охлаждении системы

10. Вычислить число степеней свободы, которыми обладает система, состоящая из раствора KNO₃ и NaNO₃ в присутствии льда и паров воды.

Вариант 4.

5. Не производя вычислений, установить знак ΔSº₂₉₈ процесса:

4HСl_(г) + О_2(г) = 2Сl_2(г) + 2H₂O_(г)

6. Определите значения ΔGº₂₉₈, ΔHº₂₉₈ и ΔSº₂₉₈ для реакции:

2H₂S _(г) + 3O_2(г) = 2SО_2(г) + 2H₂O_(ж)

7. Во сколько раз изменится скорость реакции 2А + В → А₂В, если концентрацию вещества А увеличить в 2 раза, а концентрацию вещества В уменьшить в 2 раза?

8. При уменьшении температуры с 95ºС до 40ºС скорость реакции уменьшилась в 97 раз. Определите температурный коэффициент скорости реакции.

9. В какую сторону сместится равновесие в системе:

2СО_(г) + O_2(г) ↔ 2СO_2(г) ΔHº = -569 кДж

- при увеличении давления

- при увеличении объёма системы

- при охлаждении системы

10. Система, состоящаяиз водного раствора сульфата натрия, кристаллов этой соли и водяного пара, находится при постоянном давлении. Сколько степеней свободы имеет данная система?

Вариант 5.

5. Не производя вычислений, установить знак ΔSº₂₉₈ процесса:

2H₂S_(г) + 3O_2(г) = 2H₂O_(ж) + 2SO_2(г)

6. Определите значения ΔGº₂₉₈, ΔHº₂₉₈ и ΔSº₂₉₈ для реакции:

CO_(г) + H_2(г) = C_(к) + H₂O_(г)

7. Во сколько раз следует увеличить концентрацию вещества В₂ в системе 2А_2(г) + _В2(г) = 2А₂В_(г), чтобы при уменьшении концентрации вещества А в 4 раза скорость прямой реакции не изменилась?

8. Две реакции протекают при 25^оС с одинаковой скоростью. Температурный коэффициент скорости первой реакции равен 2,0, а второй – 2,5. Найти отношение скоростей этих реакций при 95^оС.

9. В какую сторону сместятся равновесия реакций:

2СО + О₂↔ 2СО₂ + 568,48 кДж

2 SO₂ + O₂ ↔ 2 SO₃ + 172?38 кДж

а) при понижении температуры; б) при повышении давления?

10. Определите число фаз, число компонентов и число степеней свободы для равновесной системы, содержащей ZnO_(к), Zn_(г), C_(к), CO_(г).

Вариант 6.

5. Не производя вычислений, установить знак ΔSº₂₉₈ процесса:

2CH₃OH_(г) + 3O_2(г) = 4H₂O_(г) + 2 CO_2(г)

6. Определите значения ΔGº₂₉₈, ΔHº₂₉₈ и ΔSº₂₉₈ для реакции:

CH_4(г) + H₂O_(г) = CO_2(г) + 3H_2(г)

7. Начальные концентрации реагентов равны: с_о(А) = 0,06 моль/л и с_о(В) = 0,10 моль/л. Рассчитайте, как изменится скорость реакции 2А_(г) + В_(г) → 2D_(г)

по сравнению с первоначальной в тот момент, когда прореагирует 10 % вещества В.

8. Чему равен температурный коэффициент скорости реакции, если при увеличении температуры на 30 градусов скорость реакции возрастает в 15,6 раза?

9. В какую сторону сместятся равновесия реакций:

2HBr ↔ H₂ + Br₂ – 59,83 кДж;

2N₂ + O₂ ↔ 2NO₂ – 56,90 кДж

а) при понижении температуры; б) при повышении давления?

10. Определите число фаз, число компонентов и число степеней свободы для равновесной системы, содержащей ZnO_(к), Zn_(к), C_(к), CO_(г).

Вариант 7.

5. Не производя вычислений, установить знак ΔSº₂₉₈ процесса:

2H₂S_(г) + O_2(г) = 2S_(к) + 2H₂O_(ж)

6. Определите значения ΔGº₂₉₈, ΔHº₂₉₈ и ΔSº₂₉₈ для реакции:

2NO_(г) + O_2(г) = 2NO_(г)

7. В сосуд объёмом 2л ввели 0,032 г О₂ и 0,030 г NO. Рассчитайте, как изменится скорость реакции 2NO_(г) + O_2(г) → 2NO_2(г) по сравнению с первоначальной в тот момент, когда прореагирует 20 % NO.

8. Температурный коэффициент скорости реакции равен 2,3. Во сколько раз увеличится скорость этой реакции, если повысить температуру на 25 градусов?

9. В каком направлении сместится равновесие в системе

CO_(г) + Cl_2(г) ↔ COCl_2(г)

если при неизменной температуре увеличить давление путём уменьшения объёма газовой смеси?

10. Определите число фаз, число компонентов и число степеней свободы для равновесной системы, содержащей ZnO_(к), Zn_(г), C_(г), CO_(г).

Вариант 8.

5. Не производя вычислений, установить знак ΔSº₂₉₈ процесса:

CO_(г) + H_2(г) = C_(к) + H₂O_(г)

6. Определите значения ΔGº₂₉₈, ΔHº₂₉₈ и ΔSº₂₉₈ для реакции:

FeO_(к) + CO_(г) = Fe_(к) + CO_2(г)

7. В два сосуда одной и той же вместимости ведены: в первый – 1 моль газа А и 2 моля газа В, во второй – 2 моля газа А и 1 моль газа В. Температура в обоих сосудах одинакова. Будет ли различаться скорость реакции между газами А и В в этих сосудах, если скорость реакции выражается: а) уравнением v= k ₁[A][B]; б) уравнением v₂ = k₂ [A]²[B]?

8. При 150^оС некоторая реакция заканчивается за 16 мин. Принимая температурный коэффициент скорости реакции равным 2,5, рассчитать, через какое время закончится эта реакция, если её проводить при 200^оС.

9. В каком направлении сместится равновесие в системе

CO_(г) + Cl_2(г) ↔ COCl_2(г)

если при неизменной температуре увеличить давление путём уменьшения объёма газовой смеси?

10. Определите число фаз, число компонентов и число степеней свободы для равновесной системы, содержащей ZnO_(к), Zn_(к), C_(г), CO_(г).

Вариант 9.

5. Не производя вычислений, установить знак ΔSº₂₉₈ процесса:

CO_2(г) + 4H_2(г) = CH_4(г) + 2H₂O_(г)

6. Определите значения ΔGº₂₉₈, ΔHº₂₉₈ и ΔSº₂₉₈ для реакции:

CH_4(г) + 2H₂O_(г) = CO_2(г) + 4H_2(г)

7. В системе CO + Cl₂ = COCl₂ концентрацию СО увеличили от 0,03 до 0,12 моль/л, а концентрацию хлора – от 0,02 до 0,06 моль/л. Во сколько раз возросла скорость прямой реакции?

8. При 150^оС некоторая реакция заканчивается за 16 мин. Принимая температурный коэффициент скорости реакции равным 2,5, рассчитать, через какое время закончится эта реакция, если её проводить при 80^оС.

9. Как повлияет на равновесие реакции

2Н_2(г) + О_2(г) ↔ 2Н₂О_(г) ∆Н°= - 483,6 кДж

а) повышение давления; б)повышение температуры?

10. Определите число фаз, число компонентов и число степеней свободы для равновесной системы, содержащей Na₂CO_3(к), NaHCO_3(к), CO_2(г), H₂O_(г).

Вариант 10.

5. Не производя вычислений, установить знак ΔSº₂₉₈ процесса:

2NO_2(г) = N₂O_4(г)

6. Определите значения ΔGº₂₉₈, ΔHº₂₉₈ и ΔSº₂₉₈ для реакции:

Fe₂O_3(к) + 3H_2(г) = 2Fe_(к) + 3H₂O_(г)

7. Реакция между веществами А и В выражается уравнением: А + 2В → С. Начальные концентрации составляют: [A]_o = 0,03 моль/л, [B]_o= 0,05 моль/л. Константа скорости реакции равна 0,4. Найти начальную скорость реакции и скорость реакции по истечению некоторого времени, когда концентрация вещества А уменьшится на 0,01 моль/л.

8. При 20^оС константа скорости некоторой реакции равна 10^-4 мин^-1, а при 50^оС - 8∙10^-4 мин^-1. Чему равен температурный коэффициент скорости реакции?

9. Как повлияет увеличение давления на химическое равновесие в обратимой системе:

Fe₂O_3(г) + 3H_2(г)↔ 2Fe_(к) + 3H₂O_(г) ?

10. Определите число фаз, число компонентов и число степеней свободы для равновесной системы, содержащей СuSO₄·5H₂O_(к), СuSO_4(к), H₂O_(г).

Дата добавления: 2014-11-25