2.8. Примеры решения задач

Пример 1. Всеми возможными способами сместить равновесие реакции

4HCl + O₂  2H₂O + 2Cl₂ + Q (H  0)

вправо. Все вещества находятся в газообразном состоянии.

Решение. Смещение равновесия вправо означает состояние системы, при котором скорость прямой реакции больше скорости обратной реакции.

Равновесие можно смещать, изменяя концентрации веществ (1), температуру (2), давление (3).

Используем правила, вытекающие из принципа Ле-Шателье:

1) увеличиваем концентрации хлористого водорода и кислорода; к такому же результату приведет уменьшение концентраций воды и хлора (оставляем без обсуждения практическую возможность понижения концентраций продуктов прямой реакции);

2) прямая реакция  экзотермическая, поэтому температуру системы нужно понизить;

3) давление следует увеличить, так как прямая реакция идет с понижением давления.

Пример 2. Обратимая реакция выражается уравнением

N₂  3H₂  2NH_3.

К моменту достижения равновесия концентрации веществ составили:

[N₂] = 2 моль/л, [Н₂] = 1 моль/л, [NН₃] = 3 моль/л. Найти значение константы равновесия и начальные концентрации азота и водорода.

Решение. Константу равновесия вычисляем по уравнению

Кр = [NH₃]²/([N₂][H₂]³).

Подставляя значения равновесных концентраций, получаем:

Кр = 3²/(2 1³) = 4,5.

Чтобы определить значения начальных концентраций азота и водорода нужно принять во внимание , что в соответствии с уравнением реакции один моль азота и три моль водорода взаимодействуют между собой с образованием двух моль аммиака:

1N₂  2NH₃, 3H₂  2NH_3.

Отсюда, для образования трех моль аммиака требуется:

1N₂  2NH₃

хN₂  3NH_3,

х=1 3/2=1,5 моль азота ([N₂]) и

3H₂  2NH₃

yH₂  3NH₃,

y=3 3/2=4,5 моль водорода ([H₂]).

Тогда начальные концентрации азота и водорода составят

[N₂]₀ = [N₂] + [N₂] = 2 + 1,5 = 3,5 моль/л

[H₂]₀ = [H₂] + [H₂] = 1 +4,5 = 5,5 моль/л.

Пример 3. Константа равновесия реакции

H₂ + I₂  2HI

равна четырем. Найти концентрации всех веществ в состоянии равновесия, если начальные концентрации составляли: [H₂]₀ = 3 моль/л, [I₂] = 1,5 моль/л.

Решение. Из уравнения реакции видно, что из одного моль водорода и одного моль йода образуется два моль HI. Примем число моль одного из исходных веществ, например, водорода, прореагировавших к моменту наступления равновесия, за x ([H₂]). Тогда концентрации веществ в состоянии равновесия будут равны (см. предыдущий пример):

[H₂] = 3x,

[I₂] = 1,5x,

[HI] = 2x.

Подставив эти значения в выражение константы равновесия, получаем:

Кр = [HI]²/([H₂][I₂])

4 = (2x)²/((3x)(1,5x)).

Решая квадратное уравнение, получаем один корень, удовлетворяющий смыслу задачи: х = 1. Теперь можно найти равновесные концентрации веществ:

[H₂] = [H₂]₀[H₂] = 31 = 2 моль/л

[I₂] = [I₂]₀  [I₂] = 1,5  1 = 0,5 моль/л

[HI] = 2[H₂] = 2 1 = 2 моль/л

Можно проверить правильность решения, вычислив по найденным значениям константу равновесия:

Кр = 2²/(2 0,5) = 4.

Пример 4. Вычислить константу равновесия реакции; оценить устойчи-

вость диоксида азота при нормальных условиях

2NO + O₂  NO₂.

Определяем G⁰(298) реакции. Для этого используем табличные значения энергий Гиббса образования оксида и диоксида азота: 86,6 кДжмоль и 51,5 кДжмоль соответственно.

G⁰(298) = 51,5  2 86,6 = 121,7 кДж.

Найденное значение подставляем в уравнение (2.3):

121,7 = 5,71 lgКр

и получаем:

lgКр  21,

отсюда

Кр = [NO₂]/[NO]² = 10²¹.

Большое значение найденной нами константы равновесия показывает, что при стандартных условиях равновесие

2NO + O₂ NO₂

сильно смещено вправо, а это значит, что при 25⁰С диоксид азота  устойчивое соединение.