9. 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 скоростей прямой и обратной ( ) является кинетическим условием равновесия, а равенство – термодинамическим.

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

Константой равновесия 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 – вторая формулировка закона действия масс. Т.е. для обратимой реакции:

(9.1)

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.

Пример 1. Константа равновесия гомогенной системы равна 0,5. Вычислите равновесные концентрации реагирующих веществ С_р, если начальные концентрации равны (в моль/дм³):

В начальный момент вещества не было. Составим таблицу концентраций:

Концентрации	Вещества
	3	5	0
	Х	х	2х
	3 – х	5 – х	2х

Пусть к моменту установления равновесия уменьшатся на х моль. Так как из 1 моль образуется 2 моль вещества , то = 2х моль/дм³. В выражение константы равновесия входят равновесные концентрации веществ:

Подставив значения, получим: .

Отсюда моль/дм³. Таким образом, искомые равновесные концентрации равны (в моль/дм³):

Пример 2. При синтезе аммиака равновесие установилось при следующих концентрациях веществ (моль/дм³): ; ; . Рассчитайте константу равновесия реакции и исходные концентрации азота и водорода.

Определим константу равновесия этой реакции

Составляем таблицу. Исходные концентрации находим по уравнению реакции.

Концентрации	Вещества
	7,2	4,3	0
	5,4	1,8	3,6
	1,8	2,5	3,6

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

По уравнению реакции на образование двух моль расходуется 1 моль , а на образовании 3,6 моль израсходовано 3,6/2 = 1,8 моль азота. Тогда начальная концентрация азота:

.

Аналогично на образование двух моль необходимо израсходовать 3 моль , а для получения 3,6 моль требуется

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.

Таким образом, чтобы сместить равновесие эндотермической реакции синтеза аммиака, рассмотренной в примере 2, в сторону прямой реакции нужно:

а) повысить температуру, так как реакция эндотермическая;

б) увеличить давление, так как прямая реакция идёт с уменьшением давления, т.е. с образованием меньшего числа моль газа;

в) увеличить концентрации и уменьшить концентрацию .

Пример 3. Равновесие гомогенной реакции установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ (моль/дм³): , , , . Равновесие системы было нарушено из-за уменьшения концентрации до 11 моль/дм³. Вычислите новые равновесные концентрации реагирующих веществ ( ) после смещения равновесия.

Решение

Согласно принципу Ле Шателье, при уменьшении концентрации равновесие сместилось в сторону прямой реакции, т.е. концентрации и уменьшились, а и увеличились на одинаковую величину, так как все вещества реагируют в одинаковом соотношении.

Составляем таблицу:

Концентрация	Вещество
	7	5	10	14
	Х	х	х	Х
	7 – х	5 – х	10 + х	11 + х

Обозначим изменение концентраций всех веществ через х моль/дм³. После смещения равновесия установились новые равновесные концентрации реагирующих веществ (представлены в последней строке таблицы).

Используя первую строку таблицы, вычислим константу равновесия для данной реакции:

.

В уравнение для константы подставим новые равновесные концентрации

.

Раскроем это выражение и упростим:

Следовательно, после смещения равновесия новые равновесные концентрации реагирующих веществ, стали равными (моль/дм³):

Стандартная энергия Гиббса _. связана с константой равновесия химической реакции следующим уравнением:

(9.2)

Пример 4. Рассчитайте стандартную энергию Гиббса химической реакция при 800 К, если константа равновесия

Решение

Контрольные задания

161. Константа равновесия гомогенной системы равна 50. Вычислите равновесные концентрации реагирующих веществ, если исходные концентрации веществ соответственно равны 0,5 и 0,7 моль/дм³. Ответ:

162. Реакция протекает по уравнению Начальные концентрации равны (моль/дм³): Равновесная концентрация равна 0,2 моль/дм³. Вычислите константу равновесия. Ответ: 40.

163. Реакция протекает по уравнению . Исходные концентрации веществ 0,8 моль/дм³, а равновесная концентрация 0,6 моль/дм³. Вычислите константу равновесия. Ответ: 9.

164. В системе равновесные концентрации равны (моль/дм³): . Вычислите константу равновесия и исходную концентрацию . Ответ: 1,92; 0,3 моль/дм³.

165. Равновесные концентрации в системе равны ( ): ; . Вычислите равновесные концентрации ( ) после смещения равновесия в результате увеличения давления в 3 раза. Ответ: ; .

166–169. Химическое равновесие гомогенной газовой системы установилось при концентрациях (моль/дм³), указанных в таблице. Затем концентрацию одного из веществ увеличили (+) или уменьшили (–) на величину, указанную в скобках.

№ задачи
166	9	8	6(–6)	12
167	0,04	0,64(+0,96)	0,16	0,16
168	2	20	4	8(+8)
169	18	16	12(–12)	24

Вычислите новые равновесные концентрации веществ после смещения равновесия.

Ответы (моль/дм³):

170. Химическое равновесие реакции установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ (моль/дм³): В равновесную систему добавили вещество в количестве 4 моль/дм³. Вычислите новые равновесные концентрации реагирующих веществ после смещения равновесия.

Ответ: моль/дм³.

171. Равновесные концентрации веществ, участвующих в реакции

равны (моль/дм³): . Вычислите новые равновесные концентрации после смещения равновесия вследствие увеличения концентрации в 4 раза.

Ответ: моль/дм³.

172. При температуре 900 К константа равновесия равна 100. Вычислите стандартную энергию Гиббса при этой температуре.

Ответ: кДж/моль.

173. Стандартная энергия Гиббса равна -46 кДж/моль. Вычислите константу равновесия реакции при 600 К. Ответ: 104.

174. Исходные концентрации в системе соответственно равны (моль/дм³): 0,03 и 0,015. К моменту наступления равновесия концентрация стала равной 0,01 моль/дм³. Вычислите равновесные концентрации остальных реагирующих веществ ( ).

Ответ: .

175. Исходные концентрации в системе равны (моль/дм³): . Вычислите константу равновесия; если к моменту наступления равновесия прореагировало 20 % NO. Ответ: 0,416.

176. В системе установились к моменту равновесия следующие концентрации реагирующих веществ (моль/дм³): ; ; . Вычислите начальные концентрации.

Ответ: .

177. Равновесные концентрации веществ в системе

равны (моль/дм³): . Равновесие нарушено вследствие увеличения концентрации до 0,03 моль/дм³. Вычислите новые равновесные концентрации после смещения равновесия.

Ответ: моль/дм³.

178. Равновесные концентрации веществ, участвующих в реакции равны (моль/дм³): . Вычислите новые равновесные концентрации после смещения равновесия вследствие увеличения концентрации хлора в 2 раза.

Ответ: моль/дм³.

179–180. Реакции протекают по уравнению

Найдите начальную концентрацию вещества при заданной константе равновесия К_р и равновесной концентрации вещества , моль/дм³.

Ответ: 179) 6; 180) 1,3.

№ задачи
179	8	2
180	1	0,4