3.4Химическое равновесие

501 С точки зрения химической термодинамики, химическое равновесие характеризуется постоянством концентраций веществ во времени. Согласно химической кинетике, равновесие определяется равенством скоростей прямой и обратной реакций.

А) N₂ (г) + 3H₂ (г) = 2NH₃ (г),

Б) Fe₃O₄ + 4CO (г) = 3Fe (к) + 4CO₂ (г),

502. Константа химического равновесия - это отношение произведения концентраций продуктов химической реакции к произведению концентраций исходных веществ, взятых в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам.

А) 4HCl + O₂ (г)= 2Cl₂(г) + 2H₂O (г),

Б) CaO (k) + H₂O (г) = Сa(OH)₂ (к),

503. Состояние реакции, при котором концентрации веществ не изменяются во времени, называется равновесным. Основные признаки: если на реакцию, находящуюся в состоянии химического равновесия оказать воздействие, то система перейдет в новое равновесное состояние, уменьшающее это воздействие. Если воздействие снять, то реакция вернется к исходному состоянию.

А) CO(г) + H₂O(г) = CO₂(г) + H₂(г)

Б) 2CuO(к) = 2Cu(к) + O₂(г)

504. При истинном равновесии химическая реакция характеризуется постоянством концентраций всех веществ в течение сколь угодно долгого промежутка времени. При этом реакция подчиняется принципу Ле Шателье. При ложном химическом равновесии с течением времени концентрации веществ могут меняться, и реакция не подчиняется принципу Ле Шателье.

А) 3O₂(г) = 2О₃ (г),

Б) Na₂CO₃ (к) + CO₂(г) + H₂O(г) = 2NaHCO₃(к),

505. Закон действующих масс: константа равновесия химической реакции равна отношению произведения концентраций продуктов реакции к произведению концентраций исходных веществ, взятых в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам: аА + bB = cC + dD, .

А) N₂ (г) + О₂ (г) = 2NО(г), ,

Б) 3Fe(к) + 4H₂O(г) = Fe₃O₄(к) + 4H₂(г), .

506. На величину константы химического равновесия влияют: природа реагирующих веществ, температура, давление.

А) Y₂ (г) + H₂ (г) = 2HY (г), ,

Б) MgO(к) + CO₂(г) = MgCO₃(к), .

507. N₂ (г) + 3H₂ (г) = 2NH₃ (г),

Cисх.	х	у	0
Сравн.	3	9	4

, С_исх. (N₂) = [N₂] + 0,5[NH₃] = 3+ 0,5*4 = 5 моль/л.

С_исх(Н₂) = [Н₂] + 1,5[NH₃] = 9 + 1,5*4 = 15 моль/л.

508. CO + Cl₂ = COCl₂

Cисх.	Х	у	0
Сравн.	0,2	0,3	1,2

, С_исх. (Cl₂) = [Cl₂] + [COCl₂] = 0,3 + 1,2 = 1,5 моль/л.

С_исх(CO) = [CO] + [COCl₂] = 0,2 + 1,2 = 1,4 моль/л.

509. CO + H₂O = CO₂ + H₂

Cисх.	0,03	0,03	0	0
Сравн.	x	y	0,01	z

Согласно уравнению реакции, водорода образуется столько же, сколько и СО₂: [CO₂]=[H₂]=0,01 моль/л. СО и Н₂О израсходовалось 0,01 моль/л, следовательно [CO]=[H₂O]=0,02 моль/л. .

510. FeO(k) + CO = Fe(k) + CO₂

Cисх.	-	0,05	-	0,01
Сравн.	-	0,05-x	-	0,01+x

0,01+x=0,025-0,5x, x=0,01. [CO] = 0,05 - 0,01 = 0,04 моль/л. [CO₂] = 0,01 + 0,01 = 0,02 моль/л.

511. Br₂ (г) + H₂ (г) = 2HBr (г),

Cисх.	3	1	0
Сравн.	3-x	1-x	2x

, 3x² + 4x - 3 = 0, x = 0,54.

[H₂] = 3-0.54 = 2.46 моль/л, [Br₂] = 1-0.54 = 0.46 моль/л, [HBr] = 2*0.54=1.08 моль/л.

w(H₂)=(2.46/4)*100 %=61.5%, w(Br₂)=(0.46/4)*100%=11.5%, w(HBr)=(1.08/4)*100%=27%.

512. N₂O₄ (г) = 2NO₂ (г),

Cисх.	0.08	0
Сравн.	50%	X

Прореагировало 0.08*0.5 = 0.04 моль/л N₂O₄. Следовательно, образовалось 2*0.04 = 0.08 моль/л NO₂ .

.

513. Y₂ (г) + H₂ (г) = 2HY (г),

Cисх.	0.01	0.01	0
Сравн.	0.01-x	0.01-x	2x

К=40

х = 0.0076, [HY]=2*0.0076=0.015моль/л.

В=(0.015*100)/(2*0.01)=76%

514. Y₂ (г) + H₂ (г) = 2HY (г),

Cисх.	1	2	0
Сравн.	1-x	2-x	2x

К=50

46х² -150х + 100=0, х = 0.57, Теоретически может образоваться 2 моль HY, образовалось 0.57*2 = 1.14 моль. В=(1.14*100%) / 2 = 57 %.

515. 2HY (г) = Y₂ (г) + H₂ (г)

Cисх.	1	0	0
Сравн.	1-2x	x	x

К = 2*10^-2

х = 0.11, разложилось 2*0.11 = 0.22моль HY, степень разложения 22 %.

516. Cl₂ (г) = 2Cl(г)

Cисх.	0.04	0
Сравн.	0.04-x	2x

К=4.2*10^-4

4х² + 4.2*10^-4х -1.68*10^-5 = 0, х = 0.002, степень атомизации хлора равна (002/0.04)*100 % = 5 %.

517. CO + H₂O = CO₂ + H₂

Cисх.	1	1	0	0
Сравн.	1-x	1-х	х	х

К=1. , х = 0.5, [CO₂]=[H₂]=0,5 моль/л, [CO]=[H₂O]=0,5 моль/л.

518. PCl₅ = PCl₃ + Cl₂

Cисх.	0.3	0	0
Сравн.	0.3-x	х	х

К=125. , х² + 125х - 37.5 = 0, х = 0.299. Разложилось PCl₅: (0.299/0.3)*100% = 99.76 %.

519. Принцип Ле Шателье: при оказании внешнего воздействия на реакцию, находящуюся в состоянии равновесия, ее равновесие смещается к состоянию, уменьшающему это воздействие. А) 2CO (г) + О₂(г) = 2СО₂ (г), ΔН⁰= -566 кДж/моль. Т.к. реакция экзотермическая, то при понижении температуры ее равновесие сместится вправо; т.к. количество газообразных продуктов реакции меньше количества газообразных исходных веществ, то при повышении давления равновесие сместится вправо. Б) N₂ (г) + O₂ (г) = 2NO (г), ΔН⁰= 180 кДж/моль. Т.к. реакция эндотермическая, то при понижении температуры ее равновесие сместится влево; т.к. количество газообразных продуктов реакции равно количеству газообразных исходных веществ, то повышение давления на равновесие не влияет.

520. При оказании внешнего воздействия на систему, находящуюся в состоянии равновесия, положение равновесия смещается к состоянию, уменьшающему это воздействие. А) 2H₂ (г) + O₂ (г) = 2H₂O (г), ΔН⁰ = - 483.6 кДж/моль. Т.к. реакция экзотермическая, то при повышении температуры ее равновесие сместится влево; т.к. количество газообразных продуктов реакции меньше количества газообразных исходных веществ, то при понижении давления равновесие сместится вправо. Б) CaCO₃ (k) = CaO (k) + CO₂(г), ΔН⁰ = 179,0 кДж/моль. Т.к. реакция эндотермическая, то при повышении температуры ее равновесие сместится вправо; т.к. газообразные вещества - продукты реакции CO₂ , то понижение давления сместит равновесие вправо.

521. N₂ (г) + 3H₂ (г) = 2NH₃ (г), ΔH⁰= -92.4 кДж/моль. а) реакция экзотермическая, поэтому при увеличении температуры равновесие сместится влево, а при понижении - вправо. Б) Т.к. количество газообразных продуктов реакции меньше количества газообразных исходных веществ, то при повышении давления равновесие сместится вправо, а при понижении давления - влево. В) равновесие сместится вправо при повышении концентрации азота и водорода и понижении концентрации аммиака, при повышении концентрации аммиака и понижении концентрации азота и водорода равновесии сместится влево. Г) введение промоторов не смещает положение равновесия . д) Поглощение аммиака сместит равновесие вправо, а поглощение азота и водорода - влево. Е) введение инертного газа аналогично повышению давления.

522. 4HCl(г) + O₂(г) = 2Cl₂(г) + 2H₂O(г), ΔH⁰= -116.4 кДж/моль. а) равновесие сместится в сторону исходных веществ при повышении температуры, уменьшении давления, увеличении концентрации хлора и воды, понижении концентрации кислорода и соляной кислоты. Б) равновесие сместится в сторону продуктов при понижении температуры, увеличении давления, уменьшении концентрации хлора и воды, увеличении концентрации кислорода и соляной кислоты.

523. 3Fe(к) + 4H₂O(г) = Fe₃O₄(к) + 4H₂(г), ΔH⁰= -49,9 кДж/моль. Для увеличения выхода водорода необходимо понизить температуру, т. к. реакция протекает с выделением тепла. Давление не влияет на положение равновесия, т.к. количество газообразных продуктов равно количеству газообразных исходных веществ.

524 MgO(k) + CO₂ (г) = MgCO₃(к), ΔH⁰= -111,7 кДж/моль. Поглощение CO₂ будет происходить при понижении температуры и повышении давления. Восстановление поглотителя будет протекать при повышении температуры и понижении давления.

525. CaO + H₂O = Ca(OH)₂.

ΔH⁰ = -986.6+635.5+241.8 = -109.3 кДж/моль. ΔS⁰ = 76.1-39.7-188.7 = -152.3 Дж/(K*моль)

ΔG⁰ = ΔH⁰ - Т * ΔS⁰. ΔG⁰ = -R*T*lnK_p => K_p = e^-ΔG/RT

а) Т = 300 К. ΔG⁰ = -109.3 + 300*152.3*10^-3 = -63.61 кДж/моль. К_р = 1.2*10¹¹

б) Т = 1000 К. ΔG⁰ = -109.3 + 1000*152.3*10^-3 = 43 кДж/моль. К_р = 5.7*10^-3

Расчет согласуется с принципом Ле-Шателье, т.к. при повышении температуры равновесие экзотермической реакции смещается влево.

526. N₂O₃ = NO + NO₂.

ΔH⁰ = 90.2 + 33.5 - 83.3 = 40.4 кДж/моль. ΔS⁰ = 210.6 + 240.2 - 178.2 = 272.6 Дж/(K*моль)

ΔG⁰ = ΔH⁰ - Т * ΔS⁰. ΔG⁰ = -R*T*lnK_p => K_p = e^-ΔG/RT

а) Т = 0⁰ C = 273 К. ΔG⁰ = 40.4 - 273*272.6*10^-3 = -34.0 кДж/моль. К_р = 3.3*10⁶

б) Т = 373 К. ΔG⁰ = 40.4 - 373*272.6*10^-3 = -61.3 кДж/моль. К_р = 3.9*10⁸

Расчет согласуется с принципом Ле-Шателье, т.к. при повышении температуры равновесие эндотермической реакции смещается вправо.

527. 2H₂O = 2H₂ + О₂.

ΔH⁰ = 2*241.8 = 483.6 кДж/моль. ΔS⁰ = 2*130.5 - 205 - 2*188.7 = -321.4 Дж/(K*моль)

ΔG⁰ = ΔH⁰ - Т * ΔS⁰. ΔG⁰ = -R*T*lnK_p => K_p = e^-ΔG/RT

а) Т = 500 К. ΔG⁰ = 483.6 + 500*321.4*10^-3 = 644.3 кДж/моль. К_р = 4.5*10^-68

б) Т = 1000 К. ΔG⁰ = 483.6 + 1000*321.4*10^-3 = 805 кДж/моль. К_р = 8.5*10^-43

Расчет согласуется с принципом Ле-Шателье, т.к. при повышении температуры равновесие эндотермической реакции смещается вправо.

528 ZnO + H₂ = Zn + H₂O.

ΔH⁰ = -241.8 + 350.6 = 108.8 кДж/моль. ΔS⁰ = 41.6 + 188.7 - 43.6 - 130.5 = 56.2 Дж/K*моль

ΔG⁰ = ΔH⁰ - Т * ΔS⁰. ΔG⁰ = -R*T*lnK_p => K_p = e^-ΔG/RT

а) Т = 300 К. ΔG⁰ = 108.8 - 300*56.2*10^-3 = 91.94 кДж/моль. К_р = 9.6*10^-17

б) Т = 1000 К. ΔG⁰ = 108.8 - 1000*56.2*10^-3 = 52.6 кДж/моль. К_р = 5.7*10^-3

Расчет согласуется с принципом Ле-Шателье, т.к. при повышении температуры равновесие эндотермической реакции смещается вправо.

529. FeO + H₂ = Fe +H₂О.

ΔH⁰ = -241.8 + 264.8 = 23 кДж/моль. ΔS⁰ = 27.3 + 188.7 - 60.8 -130.5 = 24.7 Дж/(K*моль)

ΔG⁰ = ΔH⁰ - Т * ΔS⁰. ΔG⁰ = -R*T*lnK_p => K_p = e^-ΔG/RT

а) Т = 500 К. ΔG⁰ = 23 - 500*24.7*10^-3 = 10.65 кДж/моль. К_р = 0.077

б) Т = 1000 К. ΔG⁰ = 23 - 1000*24.7*10^-3 = -1.7 кДж/моль. К_р = 1.23

Расчет согласуется с принципом Ле-Шателье, т.к. при повышении температуры равновесие эндотермической реакции смещается вправо.

530. 2HI = H₂ + I₂.

ΔH⁰ = 2*26.6 = 53.2 кДж/моль. ΔS⁰ = 130.5 + 116.2 - 2*206.5 = -166.3 Дж/(K*моль)

ΔG⁰ = ΔH⁰ - Т * ΔS⁰.

Т = 400 К. ΔG⁰ = 53.2 + 400*166.3*10^-3 = 119.7 кДж/моль.

ΔG⁰ = -R*T*lnK_p => K_p = e^-ΔG/RT => К_р = 2.2*10^-16

Согласно закону Оствальда К_р = . Т.к. константа равновесия очень мала, то можно пренебречь знаменателем. Тогда = 4.8*10^-5 %. К данному расчету принцип Ле-Шателье применить нельзя, т.к. не рассматривается смещение равновесия.