double arrow

ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ



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 DGР.Т = 0 – термодинамическим.

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

Константой равновесия Кр 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) (г) равна 0,5. Вычислите равновесные концентрации реагирующих веществ Ср, если начальные концентрации равны САн=3 моль/л, СВн=5 моль/л.

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

Концентрации Вещество
А В С
Сн -
DС х х 2х
Ср 3-х 5-х 2х

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

Подставив значения, получим:

Отсюда 4х = 0,5(15-8х + х2); х = 1 моль/л.

Таким образом, искомые равновесные концентрации равны:

САр = 3-1 = 2 моль/л; СВр = 5-1 = 4 моль/л; ССр = 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 Кс этой реакции

Составляем таблицу. Исходные концентрации находим по уравнению реакции.

Концентрации Вещество
Н2 N2 NH3
Сн 7,2 4,3
DС 5,4 1,8 3,6
Ср 1,8 2,5 3,6

В начальный момент аммиака в системе не было, т.е. Сн (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:

Cн (N2) = Cp (N2) + DС = 2,5 + 1,8 = 4,3 моль/л.

Аналогично на образование 2-х молей NH3 необходимо израсходовать 3 моля H2, а для получения 3,6 молей NH3 требуется

моля, т.е. Cн (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
Сн
DС 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 – 48х + х2 = 110 + 21 х+ х2.

Упростим: х2 – 23х + 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: СА = 0,06; СВ = 0,26; СС = 0,88 моль/л.

62. Реакция протекает по уравнению СО(г) + Сl2(г) « COCl2(г). Начальные концентрации СО и Cl2 равны (моль/л): ССО =0,28; ССl2 =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) СА = 6,52; СВ = 5,52; СС = 2,48; СD =14,48 моль/л.

67) СА = 0,02; СВ = 1,58; СС = 0,18; СD = 0,18 моль/л.

68) СА = 2,85; СВ = 20,85; СС = 3,15; СD =15,15 моль/л.

69) СА = 13,04; СВ = 11,04; СС = 4,96; СD =28,96 моль/л.

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

Ответ: СА = 10,8; СВ = 1,2; СС = 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: DG0 = - 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): CNO = 0,5; = 0,2. Вычислите константу равновесия, если к моменту наступления равновесия прореагировало 20% NO.

Ответ: 0,416.

76. В системе H2(г) + I2(г) « 2НI(г) установились к моменту равновесия следующие концентрации реагирующих веществ (моль/л): = 0,25; = 0,05; CHI = 0,9. Вычислите начальные концентрации.

Ответ: = 0,7; = 0,5 моль/л.

77. Равновесные концентрации веществ в системе CO + Cl2 « COCl2 равны (моль/л): CCO = 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: CCO = 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.



Сейчас читают про: