Рассмотрим химическую реакцию

mA+nB↔pC+qD,

которая протекает при постоянных давлении и температуре. В ходе реакции число молей исходных веществ А и В уменьшается, а число молей продуктов реакции C и D увеличивается.

. Химическое равновесие это состояние системы, при котором скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции. применив закон действия масс, зависимость прямой и обратной реакции от концентрации реагирующих веществ определяется выражениями:

v_пр.= k _пр.[А]^m[В]ⁿ, v_обр.= k _обр.[С]^p[D]^q и при v_пр.= v_обр. получим что

.

Величина К_р называется константой химического равновесия и она связана с изменением энергии Гиббса следующим уравнением:

 

Химическое равновесие не является статическим, т. е. состоянием покоя. При изменении внешних условий равновесие сдвигается и возвращается в исходное состояние, если внешние условия приобретают постоянные значения.. Влияние на химическое равновесие внешних факторов вызывает его смещение. Направление смещения подчиняется принципу Ле-Шателье:

Если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказать какое-либо воздействие, то равновесие сместится в таком направлении, что оказанное воздействие будет ослаблено.

Следствие 1. При увеличении температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, а при уменьшении – в сторону экзотермической.

Следствие 2. При увеличении давления в газовых смесях равновесие смещается в сторону образования меньшего числа молей газов, а при увеличении давления – в сторону образования большего числа молей газов.

Следствие 3. При увеличении концентрации какого либо компонента системы равновесие смещается в сторону расхода этого компонента.

Пример 1. При некоторой температуре константа диссоциации йодовродорода на простые вещества равна 6,25·10^-2. Какой процент HI диссоциирует при этой температуре?

Решение. Уравнение диссоциации HI:

2HI↔H₂+I₂

Обозначим начальную концентрацию HI через С(моль/л). Если к моменту наступления равновесия из каждых С молей йодоводорода диссоциировало х молей, то при этом, согласно уравнения реакции, образовалось 0,5 молей водорода и йода соответственно. Таким образом, равновесные концентрации составляют:

[HI]=(C-x) моль/л; [H₂]=[I₂]=0,5х моль/л

Подставим эти значения в выражение константы равновесия реакции:

откуда х=0,333С.

Ответ: 33,3%

 

Пример 2. В каком направлении сместится равновесие в системах

а) СО_(г.)+Сl_2(г.)↔СОСl_2(г.)

б) 2HI_(г.)↔H_2(г.)+I_2(г.)

если при неизменной температуре увеличить давление газовой смеси.

Решение. а) Протекание реакции в прямом направлении приводит к уменьшению общего числа молей газов, т.е. к уменьшению давления в системе. Поэтому, согласно принципу Ле-Шателье, повышение давления вызовет смещение равновесия в сторону прямой реакции.

б) Протекание реакции не сопровождается изменением числа молей газов, и изменение давления не вызовет смещение равновесия в системе.

Пример 3. Используя справочные данные, найти значение температуры, при которой константа равновесия реакции образования водяного газа равна единице. С_{(графит)}+Н₂О_(г.)↔СО_(г.)+Н_2(г.)

Решение. Из уравнения lnK_p= следует, что при К_р=1 стандартная энергия Гиббса химической реакции равна нулю. Тогда из соотношения вытекает, что . Воспользовавшись табличными данными находим, что ΔН=131,3 кДж, а ΔS=0,1336 кДж/К, отсюда Т=131,3/0,1336=983 К.

Ответ: 983 К.

Контрольные задания.

76. В системе А_(г.)+2В_(г.)=С_(г.) равновесные концентрации равны: [А]=0,06 моль/л; [В]=0,12 моль/л; [С]=0,216 моль/л. Найти константу равновесия реакции и концентрации веществ А и В.

77. Рассчитать константу равновесия реакции: 2SO_3/г/«2SO_2/г/+О_2/г/., пользуясь справочными данными DG.

78. В закрытом сосуде установилось равновесие: СО_2(г.)+Н_2(г.)↔СО_(г.)+Н₂О_(г.); константа равновесия равна единице. Определить: а) сколько процентов СО₂ подвергнется превращению в СО при данной температуре, если смешать 1 моль СО₂ и 5 молей Н₂? б) в каких объёмных соотношениях были смешаны СО₂ и Н₂, если к моменту наступления равновесия в реакцию вступило 90% первоначального количества водорода?

79. При состоянии равновесия в системе N_2(г.)+3Н_2(г.)↔2NН_2(г.); ΔН⁰=-92,4 кДж, концентрации участвующих веществ равны: [N₂]=3 моль\л; [Н₂]=9 моль\л; [NН₃]=4 моль\л. Определить: исходные концентрации водорода и азота; б) в каком направлении сместится равновесие с ростом температуры? в) в каком направлении сместится равновесие с повышением давления?

80. Константа равновесия реакции FеО_(к.)+СО_(г.)↔Fе_(к.)+СО_2(г.) при некоторой температуре равно 0,5. Найти равновесные концентрации СО и СО₂, если начальные концентрации составляли соответственно 0,05 и 0,01 моль\л.

81. Для реакции Н_2(г.)+Br_2(г.)↔2НВr_(г.) при некоторой температуре К_р=1. Определить состав (в процентах по объёму) равновесной реакционной смеси, если исходная смесь состояла из трёх молей водорода и двух молей брома.

82. Константа равновесия реакции А_(г.)+В_(г.)↔С_(г.)+D_(г.) равна единице. Сколько процентов вещества А подвергнется превращению, если смешать 3 моля вещества А и 5 молей вещества В.

83. После смешивания газов А и В в системе А_(г.)+В_(г.)↔С_(г.)+D_(г.) устанавливается равновесие при следующих концентрациях: [А]=0,05 моль\л, [С]=0,02 моль\л. Константа равновесия равна 4·10^-2. Найти исходные концентрации веществ А и В.

84. Найти константу равновесия реакции N₂О₄↔2NО₂, если начальная концентрация N₂О₄ составляла 0,08 моль\л, а к моменту наступления равновесия диссоциировало 50% молекул N₂О_4.

85. В каком направлении сместятся равновесия
2Н_2(г.)+О_2(г.)↔2Н₂О_(г.), ΔН⁰= -483,6 кДж
СаСО_3(к.)↔СаО_(к.)+СО_2(г.) ΔН⁰= 179 кДж
а) при повышении давления; б) при повышении температуры.
Ответ обосновать.

86. В каком направлении сместятся равновесия
2СО_(г.)+О_2(г.)↔2СО_2(г.), ΔН⁰= -556 кДж
N_2(г.)+О_2(г.)↔2NО_(г.) ΔН⁰= 180 кДж
а) при понижении температуры; б) при повышении давления.
Ответ обосновать.

87. Пользуясь табличными данными, вычислить константы равновесия следующей реакции при 298 К и при 1000К. СО_(г.)+Н₂О_(г.)↔СО_2(г.)+Н_{2 (г.)}

88. Вычислить температуру, при которой константа равновесия реакции 2NО_2(г.)↔N₂О_4(г.) равна единице. В каком направлении сместится равновесие при температуре более низкой, чем найденная.

89. Найти температуру, при которой константа равновесия реакции 4НСl_(г.)+О_2(г.)↔2Н₂О_(г.) +2Сl_2(г.) равна единице.

90. Стандартное изменение энергии Гиббса для реакции А+В↔АВ при 298 К равно –8 кДж\моль. Начальные концентрации веществ А и В равны 1 моль\л. Найти константу равновесия и концентрации веществ А, В и АВ.