7.2 Алгоритмы решения типовых задач

1 Составьте выражение для константы равновесия гомогенного процесса, описываемого уравнением:

.

Решение: согласно закону действующих масс математическое выражение константы равновесия для данной реакции будет иметь вид:

.

2 Для равновесной газообразной системы

, К^р = 1,0 (при 830 ºС).

Определите концентрации всех веществ в момент равновесия, если начальная концентрация С₀(СО) = 2 моль/дм³ и С₀(Н₂О) = 3 моль/дм³.

Решение

2.1 Запишем выражение для константы равновесия:

.

2.2 Обозначим [Н₂] = [CO₂] = x моль/дм³ . Равновесные концентрации окиси углерода и воды соответственно равны (в моль/дм³):

[CO] = С₀(СО) – х = 2 – x и [H₂O] = С₀(Н₂О) – х = 3 – x.

2.3 Подставим полученные выражения в уравнение константы равновесия:

.

2.4 Решаем соответствующее квадратное уравнение и получаем значение х = [Н₂] = [CO₂] = 1,2 моль/дм³.

2.5 В итоге (в моль/дм³ ): [CO] = 0,8 и [H₂O] = 1,8.

3 Как изменится скорость реакции

,

если концентрации всех газов увеличить в три раза? В сторону прямой или обратной реакции сместится химическое равновесие?

Решение

3.1 Вычислим начальные скорости прямой и обратной реакций:

3.2 После увеличения концентраций H₂S и O₂ в три раза скорости прямой и обратной реакций увеличились в:

3.3 Скорость реакции возрастёт в

раза.

Вывод: равновесие реакции сместится вправо, т.е. в сторону образования продуктов реакции – SO₂ и H₂O.

4. В каком направлении сместится равновесие реакции

, ∆Н⁰_х.р. = –114,42 кДж/моль,

если: 1) повысить концентрацию О₂; 2) увеличить концентрацию Н₂О; 3) понизить давление; 4) повысить температуру на 50 ⁰С (температурный коэффициент прямой реакции γ_пр = 2, а γ_обр. = 3)?

Решение

Повышение концентрации кислорода, согласно принципу Ле Шателье, вызовет в системе противодействие, а именно – образование H₂O и Cl₂, что приводит к смещению равновесия реакции вправо.

Увеличение концентрации Н₂О приведёт к протеканию реакции уменьшающей её концентрацию, т.е. к реакции обратной – равновесие сместится при этом влево.

Понижение давления в системе должно стимулировать процесс его увеличивающий – равновесие сместится влево, так как объём 5 моль газа (4 моль НCl + 1моль О₂) больше объёма 4 моль (2H₂O + 2Cl₂).

Повышение температуры, согласно принципу Ле Шателье, должно способствовать реакции обратной, т.е. эндотермической. Так как прямая реакция является экзотермической, то обратная – эндотермическая. Итак, равновесие сместится слева направо.

Этот вывод можно подтвердить расчетом, используя формулу Вант-Гоффа (7.2.2.1):

1. возрастание скорости прямой реакции в

2. возрастание скорости обратной реакции в

В итоге, как показал расчет, при повышении температуры на 50 ⁰С повлечет смещение химического равновесия влево – в сторону образования исходных реагентов.

7.3 Экспериментальная часть

7.3.1 Влияние концентрации реагентов на химическое равновесие

Опыт. Примером обратимой реакции является взаимодействие между разбавленными растворами хлорида железа (+3) и тиоцианата калия или аммония (практически бесцветные растворы).

Молекулярное уравнение реакции:

.

Ионное уравнение:

.

Образующийся в результате реакции комплекс – тиоцианат железа (+3) обладает красным цветом, интенсивность которого зависит от концентрации. Поэтому смещение равновесия легко наблюдать по изменению интенсивности окраски.

Слейте в колбу равные объемы (10 – 15 см³) раствора FeCl₃ (С(FeCl₃) = 0,002 моль/дм³) и раствора тиоционата калия (или аммония) с молярной концентрацией С(KNСS) = = 0,002 моль/дм³.

Полученный раствор разлейте в четыре пробирки так, чтобы объемы всех растворов были примерно одинаковыми. В первую пробирку добавьте 1 cм³ раствора FeCl₃; во вторую – 1 cм³ насыщенного раствора тиоцианата калия; в третью – кристаллический KCl (или NH₄Cl). Четвертая пробирка – эталон для сравнения.

Объясните, что происходит. Составьте выражение для константы равновесия. На основании формулы для расчета константы равновесия укажите, изменение концентраций каких веществ (исходных или продуктов реакции) вызовет более существенный сдвиг равновесия.

Результаты опыта занесите в таблицу 7.3.1.

Таблица 7.3.1 – Влияние концентрации реагентов на химическое равновесие

Номер опыта	Добавленный раствор	Ослабление или усиление окраски	Направление смещения равновесия
1
2
3