7. Хімічна рівновага

Коли швидкості прямої та зворотної реакцій (для оборотних реакцій) стають однаковими, наступає стан хімічної рівноваги.

Для оборотної хімічної реакції аA + bB ↔ cC + dD

К_С =,

де К_С− константа рівноваги реакції; величина, що виражає співвідношення між рівноважними концентраціями (моль/л) продуктів реакції [С], [D] (чисельник) та концентраціями вихідних речовин [А], [В] (знаменник). Чим більша константа рівноваги, тим більший вихід продуктів реакції.К_Сстала при даній температурі.

Для реакцій, що відбуваються у газовій фазі, замість молярних концентрацій компонентів іноді використовують парціальний тиск

К_Р = .

Парціальний тиск кожного компонента суміші розраховується за формулою Р_і = РХ_і, де Р − загальний тиск суміші газів, Х_і − мольна частка і-го газу; Х_і = n_і/∑n_і, деn_і− кількість молів кожного газу; ∑n_і− загальна кількість молів у системі. МіжК_СіК_Ріснує співвідношення

К_Р=К_С[RT]^∆n,

де ∆n− зміна кількості молів у хімічному процесі; якщо ∆n= 0, тоК_Р =К_С. Константа рівноваги хімічної реакції пов’язана зі стандартною зміною енергії Гіббса рівняннямDG⁰ = −2,3 RTlgK_Р.

При зміні умов перебігу реакції (температури, тиску, концентрації) швидкості прямого й зворотного процесів змінюються неоднаково і хімічна рівновага порушується. Реакція відбувається в одному з можливих напрямків до встановлення нового стану хімічної рівноваги. Процес переходу з одного стану хімічної рівноваги до іншого називається зміщенням хімічної рівноваги. Напрямок цього зміщення підлягає принципу Ле Шательє: якщо на систему, що знаходиться у стані хімічної рівноваги, відбувається який-небудь вплив, то рівновага зміщується в такому напрямку, щоб цей вплив послабити.Так, підвищення температури призводить до зміщення рівноваги в бік ендотермічної реакції (з поглинанням теплоти); підвищення тиску зміщує рівновагу в бік зменшення загальної кількості молів газоподібних речовин; видалення із системи одного з продуктів реакції підсилює пряму реакцію; зменшення концентрації однієї з реагуючих речовин зміщує рівновагу в напрямку зворотної реакції.

Приклад.У процесі синтезу амоніакуN₂ + 3H₂ ↔ 2NH₃ рівновага встановилась при наступних концентраціях (моль/л) реагуючих речовин:С_NН3= 3,6;C_N2=2,5;C_H2=1,8. Розрахувати константу рівноваги цієї реакції і вихідні концентрації азоту та водню.

Розв’язання

1. Константа рівноваги К_С − ?

= 0,89.

2. C_{N2 вих}− ? C_{H2 вих}− ?

Вихідні концентрації азоту та водню визначаємо, виходячи з рівняння реакції. На утворення двох молів NH₃ необхіднийодин моль H₂, а на утворення 3,6 моля NH₃ необхідно 3,6/2 =1,8 моля H₂.

Враховуючи рівноважну концентрацію азоту, знаходимо його вихідну концентрацію C_{N2 вих}= 2,5 + 1,8 = 4,3 моль/л.

На утворення двох молів NH₃ необхідно три молі H₂, а на утворення 3,6 моля NH₃ необхідно 3∙3,6/2 = 5,4 моля H₂. C_{H2 вих}= 1,8 + 5,4 = 7,2 моль/л.

Відповідь: K_C = 0,89; C_{H2 вих}= 7,2 моль/л; C_{N2 вих}= 4,3 моль/л.

Задачі

300. Реакція CO+Cl₂↔COCl₂ відбувається в об’ємі 10 л. Склад рівноважної суміші: 14 г СО; 35,5 гCO; 49,5 г COCl₂. Розрахувати константу рівноваги реакції.

301. Карбон (IV)оксид та хлор містяться в закритій посудині при сталій температурі. Їх вихідні концентрації дорівнюють 1 моль/л, тиск у посудині 101325 Па.Урезультаті реакціїCO + Cl₂ ↔ COCl₂ намомент рівноваги залишилось 50 % СО. Який тиск у посудині при рівновазі? Розрахувати константу рівноваги реакції.

302. Як необхідно змінити концентрацію, тиск та температуру гомогенної системиPCl₅↔PCl₃+Cl₂;DН⁰_реак = 129,7 кДж, щоб змістити рівновагу в бік розкладанняPCl₅? РозрахуватиDG⁰_реак та константу рівноваги реакції, якщоS⁰(РСl₅) = 362,7 Дж/(моль·К);S⁰(РСl₃) = 311,7 Дж/(моль·К);S⁰(РСl₂) = 222,9 Дж/(моль·К).

303. Визначити константу рівноваги оборотної реакції A + 2B↔ C, якщо рівноважні концентрації складають:[А]= 0,3 моль/л;[В]= 1,1 моль/л;[С] = 2,1 моль/л. РозрахуватиDG⁰ реакції.

304. Визначити константу рівноваги реакції A+ 2B↔C, якщо рівноважні концентрації складають: [А] = 0,12 моль/л; [В] = 0,24 моль/л; [С] = 0,255 моль/л. РозрахуватиDG⁰ реакції.

305. При деякій температурі рівновага в системі 2NO₂(г.)↔2NO(г.)+ O₂(г.) установилася при таких концентраціях:[NO₂]= 0,06 моль/л;[NO]= 0,24 моль/л;[O₂]= 0,12 моль/л.Знайти вихідну концентраціюNO₂ таК_С. Які фактори сприяють зміщенню рівноваги в бік утворення NO₂?

306. PCl₅дисоціює при нагріванні за рівняннямPCl₅↔PCl₃+Cl₂. Визначити константу рівноваги цієї реакції, якщо з трьох молівPCl₅, що містяться в посудині об’ємом 10 л, розкладаються 2,5 моля.

307. Сульфур (VI) оксид утворюється за рівнянням

SO₂(г.) + 0,5O₂(г.) ↔ SO₃(г.); DН⁰_реак = −96,2 кДж/моль. Зміна яких парамет-рів буде сприяти зміщенню рівноваги в бік утворення SO₃? Розрахувати DG⁰ реакції та константу її рівноваги, якщо S⁰(О₂) = 248,1 Дж/(моль·К); S⁰(SO₂) = 205,0 Дж/(моль·К); S⁰(SO₃) = 256,7 Дж/(моль·К).