Смещение химического равновесия при изменении внешних условий

Под смещением химического равновесия понимают такой процесс, который изменяет соотношение концентраций веществ, участвующих в химической реакции.

Направление смещение химического равновесия можно определить с помощью принципа Ле–Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказывается внешнее воздействие (изменяется давление, температура, концентрация реагентов), то в системе происходят процессы, направленные на уменьшение внешнего воздействия.

При увеличении температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции и, наоборот, при уменьшении температуры – в сторону экзотермической.

При увеличении давления в реакционной системе равновесие сместится в сторону образования меньшего числа молей газообразных веществ, так как они создают меньшее давление и наоборот. Если реакция протекает без изменения числа молей газообразных веществ, изменение давления на положение равновесия не влияет.

При увеличении концентрации исходных веществ равновесие системы смещается вправо, в сторону образования конечных продуктов, а при увеличении концентрации продуктов реакции – влево.

При введении катализатора или его замене положение равновесия не меняется, так как катализатор изменяет энергию активации прямой и обратной реакции на одну и ту же величину, то есть скорость прямой и обратной реакции изменится в одинаковое число раз. Равновесие будет достигнуто быстрее, но при тех же равновесных концентрациях.

Например, в равновесной химической реакции получения аммиака

3Н₂ + N₂  2 NH₃ , кДж/моль или

.

1. При увеличении концентрации водорода или азота равновесие системы сместится в сторону образования аммиака (вправо), концентрация аммиака увеличится (увеличится выход продукта). При уменьшении концентрации аммиака равновесие также сместится вправо.

2. При увеличении давления в системе равновесие сместится вправо, т. к. исходные вещества занимают больший объем, чем продукты (реакция протекает с уменьшением числа молей газообразных веществ). Переход части молекул N₂ и Н₂ в NH₃ несколько уменьшит давление в системе.

3. При увеличении температуры в этой же равновесной системе происходит смещение равновесия влево. Процесс разложения аммиака эндотермический, поэтому смещение равновесия влево снизит температуру реакционной смеси.

4. Введение в систему катализатора – губчатого железа, содержащего оксид калия, приводит к более быстрому достижению равновесия, но при тех же равновесных концентрациях аммиака, азота и водорода.

Лабораторная работа № 4

Химическое равновесие

Опыт 1. Влияние концентрации реагирующих веществ на химическое равновесие

Для изучения влияния концентрации реагирующих веществ на химическое равновесие удобно воспользоваться реакцией между хлоридом железа (III) и роданидом аммония, которая выражается уравнением:

FeCl₃ + 3NH₄SCN Fe(SCN)₃ + 3NH₄Cl.

Из веществ этой системы Fe(SCN)₃ интенсивно окрашен в красный цвет, разбавленный раствор FeCl₃ в бледно-желтый, а растворы NH₄SCN и NH₄Cl – бесцветны. Поэтому всякое изменение концентрации Fe(SCN)₃ сказывается на изменении окраски раствора. Это позволяет наблюдать, в каком направлении сдвигается равновесие при изменении концентрации реагирующих веществ.

В стаканчик налейте 20-25 мл дистиллированной воды и прибавьте по одной капле насыщенных растворов FeCl₃ и NH₄SCN, перемешайте раствор стеклянной палочкой. Полученный раствор налейте в 4 пробирки. Добавьте:

– в первую пробирку 1 каплю насыщенного раствора FeCl₃,

– во вторую пробирку 1 каплю насыщенного раствора NH₄SCN,

– в третью пробирку щепотку кристаллов NH₄Cl.

Четвертую пробирку оставьте для сравнения.

Сравните интенсивность окраски полученных растворов с цветом раствора в четвертой пробирке. Как изменилась концентрация роданида железа (III) в каждой пробирке? По изменению интенсивности окраски определите направление смещения равновесия.

Напишите уравнение обратимой химической реакции и выражение для константы равновесия данной системы. Результаты опыта запишите в таблицу 6.

Таблица 6 – Результаты эксперимента

Номер пробирки	Добавленный раствор	Изменение интенсивности окраски раствора	Направление смещения равновесия
1	FeCl3
2	NH4SCN
3	NH4Cl

Используя уравнение константы равновесия, поясните, почему изменение концентрации роданида аммония в большей степени влияет на равновесие, чем изменение концентрации хлорида железа (III).

Сделайте вывод о влиянии изменения концентраций реагирующих веществ на химическое равновесие (в каком направлении смещается химическое равновесие при увеличении концентрации исходных реагирующих веществ, и в каком направлении – при увеличении концентрации продукта реакции).

Опыт 2. Обратимость смещения химического равновесия

В растворах, содержащих шестивалентный хром, существует равновесие:

или Cr₂O₇^2– + 2ОН^–  2CrO₄^2– + H₂O.

В пробирку налейте 3-4 мл раствора хромата калия K₂CrO₄ и прибавьте несколько капель раствора серной кислоты до изменения окраски. Когда раствор станет оранжевым, добавьте по каплям раствор щелочи КОН до появления желтой окраски. После этого можно опыт повторить: снова прибавить раствор кислоты и получить оранжевую окраску, прибавить раствор щелочи и получить желтую окраску.

Опыт 3. Влияние температуры на химическое равновесие

При взаимодействии йода с крахмалом образуется вещество сложного состава^*, окрашенное в синий цвет. Эта реакция экзотермическая. Равновесие системы можно условно изобразить следующим уравнением:

крахмал + йод  соединение синего цвета + Q

Налейте в две пробирки по 2-3 мл раствора крахмала и добавьте по 2 капли йодной воды. Отметьте окраску полученного соединения.

Нагрейте одну из пробирок до изменения окраски.

______________________

^* Йодокрахмал относится к особому классу соединений, называемых соединениями включения. Соединение образуется путем внедрения молекул йода в полости молекул крахмала.

Охладите эту пробирку под струей водопроводной воды. Что произошло с окраской?

Сделайте вывод, в каком направлении смещается химическое равновесие системы при нагревании, при охлаждении.

Вопросы для защиты лабораторных работ

«Скорость химических реакций» и «Химическое равновесие»

1. Как изменится скорость прямой (обратной) реакции

2А_(г) + В_(г) = 2С_(г), если

1. увеличить (уменьшить) давление в системе в три раза,

2. увеличить (уменьшить) объем системы в 2 раза,

3. увеличить (уменьшить) концентрацию вещества А в 4 раза?

2. Скорость каких реакций увеличивается с ростом температуры: экзотермических, эндотермических, любых?

3. Как изменится скорость реакции при нагревании (охлаждении) на 20^о, если температурный коэффициент реакции равен 3?

4. Чему равен температурный коэффициент реакции, если при нагревании на 30^о скорость возрастает в 8 раз?

5. Чем объясняется повышение скорости реакции при введении в систему катализатора:

1. уменьшением энергии активации,

2. увеличением средней кинетической энергии молекул,

3. возрастанием числа столкновений,

4. ростом числа активных молекул?

6. Если константа скорости одной реакции k₁ больше k₂ другой реакции, то такое соотношение между энергиями активации этих реакций правильно:

1)Е_1акт < Е_2акт ; 2) Е_1акт > Е_2акт ; 3) Е_1акт = Е_2акт.

7. Какие из указанных воздействий приведут к изменению К_равн. химической реакции:

1) изменение давления, 2) введение катализатора,

3) изменение температуры, 4) изменение концентрации реагентов?

8. В каком случае можно сказать, что прямая и обратная реакции равновероятны (реакция протекает в прямом направлении практически необратимо; реакция в прямом направлении не идет):

1) К_равн.  0; 2) К_равн.  ; 3) К_равн.  1?

9. Чему равна К_равн. гомогенной реакции А + 2В  С, если равновесные концентрации равны [A] = 0,1; [B] = 0,2; [C] = 2 моль/л?

10. Как влияет введение катализатора на значение К_равн.: увеличивает, уменьшает, не влияет?

11. В каком направлении сместится химическое равновесие системы

А_(г) + В_(г)  С_(г) Н = –100 кДж, если

1. увеличить температуру, 2) уменьшить давление,

3) увеличить концентрацию А, 4) ввести в систему катализатор,

5) уменьшить температуру?

12. Как можно сместить равновесие процесса А_(г) + В_(тв)  С_(г) (Н = 100 кДж) вправо:

1) увеличить давление, 2) увеличить температуру,

3) уменьшить давление, 4) ввести в систему катализатор?

13. Какие из перечисленных воздействий приведут к изменению константы скорости реакции:

1) изменение давления, 3) изменение объема реакционного сосуда,

2) изменение температуры, 4) введение в систему катализатора,

5) изменение концентрации реагирующих веществ?

14. Скорость химической реакции 2NO + O₂ = 2NO₂ описывается уравнением v = k [NO]²[O₂]. Каков порядок реакции по NO? по O₂? Каков общий порядок?

РАСТВОРЫ