2.3. Химическое равновесие

ПОДГОТОВКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЗАДАНИЯ

Изучить и усвоить:

· лекцию «Химическое равновесие» [Конспект лекций, раздел 2.3];

· видеозапись лабораторной работы «Химическое равновесие» [Приложение к УМК: диск 1, работа 2].

Цель выполнения задания

· Усвоить механизм установления химического равновесия и его отличительные признаки.

· Рассмотреть влияние внешних условий на смещение химического равновесия.

Теоретические сведения

Большинство химических процессов обратимы, т.е. наряду с прямой реакцией, по мере накопления продуктов реакции, начинает идти обратный процесс. Состояние равновесия наступает в тот момент, когда скорость прямой реакции станет равной скорости обратной реакции. Химический процесс при этом не прекращается, но концентрации всех веществ не меняются, называются равновесными и в кинетическом уравнении записываются в квадратных скобках.

Константа химического равновесия представляет собой отношение константы скорости прямой реакции к константе скорости обратной реакции, а также отношение произведения равновесных концентраций продуктов реакции к произведению равновесных концентраций исходных веществ. Константа химического равновесия зависит от температуры и природы реагирующих веществ, но не зависит от концентрации.

Если под воздействием внешних факторов (изменения концентрации реагирующих веществ, температуры, давления) скорость прямой и обратной реакции изменяется в разной степени, то химическое равновесие нарушается (смещается):

а) при увеличении концентрации исходных веществ химическое равновесие смещается в сторону образования продуктов реакции, а при увеличении концентрации продуктов, химическое равновесие смещается к исходным веществам;

б) при увеличении внешней температуры химическое равновесие смещается в сторону эндотермической реакции (Δ_rН > 0), а при уменьшении температуры − в сторону экзотермической реакции (Δ_rН < 0);

в) при увеличении внешнего давления химическое равновесие смещается в сторону образования меньшего числа моль газов, т.е. в сторону понижения давления, при уменьшении внешнего давления − в сторону большего числа моль газов, т.е. в сторону повышения давления.

Общий принцип, определяющий влияние различных факторов на равновесие системы, называется принципом Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказать какое-либо воздействие, то в результате протекающих в ней процессов равновесие сместится в таком направлении, что оказанное воздействие уменьшится.

ВЫПОЛНЕНИЕ ЗАДАНИЯ

Влияние изменения концентрации реагирующих веществ

на смещение химического равновесия

Реакция между хлоридом железа (III) и роданидом калия идет с образованием окрашенного в интенсивно красный цвет роданида железа (III) и является обратимой:

FeCl₃ + 3 KCNS Fe(CNS)₃ + 3 KCl.

красный цвет

При увеличении скорости прямой реакции увеличивается количество образовавшихся продуктов реакции (Fe(CNS)₃ и KCl и окраска раствора становится более интенсивной. Наоборот, при увеличении скорости обратной реакции окраска раствора становится менее интенсивной, т.к. увеличивается концентрация исходных веществ.

Схема проведения эксперимента и полученные результаты представлены на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Схема проведения эксперимента по изучению влияния изменения концентрации реагирующих веществ на смещение химического равновесия

В пробирку, на три четверти заполненную дистиллированной водой, вносится по 3–4 капли растворов хлорида железа и роданида калия. Содержимое перемешивается и делится на четыре пробирки. В первую пробирку добавляются 2–3 капли раствора FeCl₃, во вторую столько же раствора KCNS, в третью – на кончике шпателя кристаллический KCl, четвертую пробирку оставляют для сравнения. Данные эксперимента внесите в таблицу 2.3.

Таблица 2.3

Смещение химического равновесия

Добавленное вещество	Изменение интенсивности окраски (усиление или ослабление)	Направление смещения равновесия
FeCl3
KCNS
KCl

В сторону какого процесса: прямого или обратного, смещается равновесие при увеличение концентрации: а) исходных веществ, б) продуктов реакции? Соответствует ли это принципу Ле Шателье? Является ли это противодействием на внешнее воздействие?

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Влияние температуры на смещение химического равновесия

Все химические реакции сопровождаются образованием новых веществ, т.е. изменением природы участников реакции, а потому либо выделением теплоты (Δ_rН < 0 – реакция экзотермическая), либо поглощением теплоты (Δ_rН > 0 – реакция эндотермическая). Если прямая реакция идет с выделением теплоты, то обратная – с поглощением.

Реакция йода с крахмалом сопровождается образованием окрашенного в синий цвет соединения. Схема проведения эксперимента и полученные результаты представлены на рис. 2.5.

В пробирку наливается 2–3 мл раствора крахмала и добавляется несколько капель раствора йода. Наблюдается образование соединения синего цвета. При нагревании пробирки окраска раствора исчезает, а при охлаждении – появляется. Таким образом, наблюдается смещение равновесия

охлаждение извне

( С₆Н₁₀О₅)_x + x J₂ ( С₆Н₁₀О₅)_x · x J

н агревание извне соединение синего цвета

Рис. 2.5. Схема проведения эксперимента по изучению влияния изменения температуры на смещение химического равновесия

Используя принцип Ле Шателье, определите, с выделением или поглощением теплоты идет прямая реакция.

Укажите, в сторону какого процесса (экзотермического или эндотермического) смещается химическое равновесие: а) при повышении температуры, б) при понижении температуры.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Пример 2.8. Каким изменением внешних условий можно повысить полноту сгорания угля

2С _{(кристалл.)} + О_{2 (газ)} <══> 2СО _(газ) ; ∆_rН<О ?

Решение. Для увеличения полноты сгорания угля необходимо, чтобы скорость прямой реакции стала больше, чем скорость обратной реакции.

Концентрация кислорода в ходе прямого процесса уменьшается, поэтому для увеличения скорости этого процесса концентрацию кислорода следует увеличивать.

В процессе сгорания угля теплота выделяется в окружающую среду (∆_rН <О), поэтому внешнее воздействие на систему должно состоять в понижении температуры окружающей среды.

Давление в системе в результате прямого процесса увеличивается (из одного моль газа О₂ образуется два моль газообразного СО). Скорость прямого процесса будет больше, чем скорость обратного процесса при условии удаления из системы продукта реакции, что может произойти в том случае, если давление в окружающей среде станет меньше, чем в равновесной системе.

Таким образом, полноту сгорания угля можно повысить, если в среде, окружающей равновесную систему, понизить температуру и давление и ввести дополнительное количество кислорода.

Следовательно, для смещения равновесия в нужную сторону, внешний фактор (P, C, T) должен измениться противоположно тому, как это происходит в ходе данного процесса.

Пример 2.9. Уменьшение углекислого газа в системе

СаСО_{3 (твёрд.)} ↔ СаО _{(твёрд.)} + СО_{2 (газ)}

приведет к…

1) увеличению содержания исходных веществ

2) уменьшению содержания продуктов и исходных веществ

3) увеличению содержания продуктов реакции

4) состояние равновесия не изменится

Удаление из системы продукта реакции (СО₂) приведёт к уменьшению скорости обратной реакции и равновесная система ответит противодействием − образованием дополнительного количества СО₂, т.к. скорость прямой реакции станет больше скорости обратной реакции. Правильный ответ: 3.

Упражнение 2.11. Равновесие в системе

2NH_{3 (газ)} + СO_{2 (газ)} ↔ СO(NH₂)_{2 (жидк.)} + H₂O _(жидк.)

сместится в сторону продуктов реакции при…

□ 1) увеличении общего давления □ 2) уменьшении парциального давления СО₂

□3) уменьшении концентрации СO(NH₂)₂ □ 4) добавлении воды

Правильные ответы поясните на основании принципа Ле Шателье.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Пример 2.10. Для увеличения выхода продуктов реакции

O_2(г.) + 4HCl_(г) ↔ 2Cl_2(г.) +2H₂O_(г.), ∆_rН < 0 необходимо…

1) повысить давление и повысить температуру

2) повысить давление и понизить температуру

3) понизить давление и понизить температуру

4) понизить давление и повысить температуру

В ходе прямого процесса в системе: Т−↑, р−↓. Температура увеличивается, т.к. прямой процесс идёт с выделением теплоты; давление уменьшается, поскольку из 5-и моль газообразных веществ образуется 4 моль газа.

В соответствии с принципом Ле Шателье, внешнее воздействие должно быть противоположно изменениям параметров в равновесной системе: Т − ↓, р − ↑.

Правильный ответ: 2.

Упражнение 2.12. Равновесие в системе

O_{2 (газ)} + 4HCl _(газ) ↔ 2Cl_{2 (газ)} +2H₂O _(газ), ∆_rН < 0

сместится в сторону исходных веществ …

□ 1) при уменьшении общего давления □ 2) при увеличении общего давления

□ 3) при увеличении температуры □ 4) при увеличении концентрации О₂

Правильные ответы поясните на основании принципа Ле Шателье.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Упражнение 2.13. Равновесие в системе

SO_{3 (газ)} + C _{(кристалл.)} ↔ SO_{2 (газ)} + CO _(газ), ∆_rН > 0

сместится в сторону продуктов реакции …

□ 1) при увеличении температуры □ 2) при увеличении парциального давления СО

□ 3) при уменьшении общего давления □ 4) при уменьшении концентрации SО₃

Правильные ответы поясните на основании принципа Ле Шателье.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

ТИПОВЫЕ КОНТРОЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ

1. Равновесие в системе PCl_{3 (газ)} + Cl_{2 (газ)} <==> PCl_{5 (пар)} ; Δ _r H = 113 кДж

сместится в сторону исходных веществ …

□ 1) при уменьшении общего давления □ 2) при увеличении общего давления

□ 3) при уменьшении температуры □ 4) при увеличении концентрации Cl₂

2. Равновесие в системе ZnO _{(кристалл.)} + CO _(газ) <==> Zn _{(кристалл.)} + CО_{2 (газ)}, ∆ _r H > 0 сместится в сторону исходных веществ

□ 1) при увеличении общего давления □ 2) при уменьшении температуры □ 3) при увеличении парциального давления СО₂ □ 4) при увеличении температуры

Задание 3. КЛАССЫ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ