Практическая работа 6. Исследование химического равновесия

•Какие вещества называю т электролитами ?

•Чем различа ются сильные и слабые электролиты?

Оборудование. Пробирки, штатив для пробирок, нагреватель.

Реактивы. Раствор хлорида железа FeCl3 с концентрацией примерно 0,1 моль/л (2%-ный); раствор роданида калия KSCN с концентрацией примерно 0,1 моль/л (1%-ный), концентрированный раствор сульфата или нитрата натрия.

Задача. Изучить, что происходит при разных воздействиях на равновесную систему.

Приготовление равновесной системы. В пробирку налейте воды на 3—4 см по высоте. Добавьте в неё 5—6 капель раствора роданида калия и 1—2 капли раствора хлорида железа. Перемешайте. У вас получится кро- ваво-красный раствор. Нужно, чтобы он был прозрачный, т. е. чтобы через пробирку с ним можно было хоть что-то увидеть. Если окраска настолько густая, что через неё ничего не видно, отлейте немного раствора

идолейте на его место воды.

Вэтой системе устанавливается несколько равновесий, но приближённо её можно описать уравнением

Fe3+ + 3SCN– Fe(SCN)3

Роданид железа Fe(SCN)3 — слабый электролит. Он интенсивно окрашен. Остальные компоненты равновесной системы практически бесцветны.

Влияние разбавления на смещение равновесия. Как сместится равновесие в этом растворе, если вы его разбавите?

Вдве пробирки налейте раствор на одинаковую высоту (около 1 см).

Водну пробирку прилейте воды на 4—5 см и перемешайте. Поместите под пробирку белый лист бумаги и посмотрите в неё сверху.

• Где окраска слабее? О чём это говорит?

• Почему смотреть нужно именно сверху, а не сбоку?

Влияние реагентов на смещение равновесия. В пробирку с нераз-

бавленным раствором из предыдущего опыта добавьте несколько капель раствора роданида калия.

• Что происходит с окраской раствора? Почему?

В новую пробирку отлейте исходного раствора роданида железа на 1 см по высоте и добавьте несколько капель раствора хлорида железа.

• Что происходит с окраской раствора? Почему?

128

Влияние посторонних электролитов на равновесие. В новую пробирку налейте исходного раствора роданида железа на 1 см по высоте и добавьте 1—2 капли раствора сульфата или нитрата натрия.

•Что происходит с окраской?

•Как объяснить наблюдение, если ни сульфаты, ни нитраты в реакции не участвуют?

Дело в том, что все посторонние ионы экранируют друг от друга реагирующие ионы. В результате они смещают равновесие реакций в сторону образования ионов Fe3+ и SCN–.

Влияние температуры на равновесие. Остатки исходного раствора

роданида железа нагрейте. Что происходит с окраской? Куда смещается равновесие? Что вы можете сказать о тепловом эффекте образования роданида железа из ионов?

Я понимаю как смещается химическое равновесие.

129

§ 27 Константа равновесия

•Что такое химическое равновесие и как его смещать?

•Запишите кинетическое уравнение для реакции H+ + OH = H2O.

В предыдущем параграфе вы узнали, что во многих термодинамических системах устанавливается химическое равновесие: в них происходят одновременно две противоположно направленные реакции, скорости которых равны. Систему веществ, находящихся в химическом равновесии, называют равновесной системой. Соответствующие вещества (как продукты, так и реагенты) называют компонентами равновесной системы.

Перечислите компоненты следующей равновесной системы:

C + CO2 2CO

Вы также узнали про смещение химического равновесия, однако этот термин был дан на интуитивном уровне. Можно ли дать строгое определение этому термину и количественно рассчитать, насколько сместится равновесие?

Сначала ответим на первую часть вопроса. Вы знаете, что скорость реакции зависит от концентрации реагентов. Концентрации веществ в равновесных системах называют равновесными концентрациями. Их измеряют в молях на литр и обозначают символом соответствующего вещества в квадратных скобках. Например, обозначение [Fe3+] означает равновесную концентрацию ионов Fe3+.

Сместить равновесие влево означает увеличить равновесную концентра-

цию реагентов не вводя их в систему. Сместить равновесие вправо оз-

начает увеличить равновесную концентрацию продуктов, не вводя их в

систему.

Можно ли количественно рассчитать равновесные концентрации? Можно. Для этого нам нужно ввести понятие «константа равновесия».

Как уже говорилось, в состоянии равновесия скорости прямой и обратной реакции равны. Это значит, что мы можем приравнять их кинетические уравнения. Для равновесия

130

Константы скорости не зависят от концентрации веществ. Их можно собрать в одной части уравнения:

Отношение констант скоростей прямой и обратной реакции называют

КОНСТАНТОЙ РАВНОВЕСИЯ.

Для обсуждаемой реакции константу равновесия можно записать так:

А в общем виде для реакции

aA + bB еЕ + dD

выражение для константы равновесия записывают как

Выполните задание 1 после параграфа.

В случае если в реакции участвуют газы, вместо их концентрации записывают их парциальное давление p (в атмосферах). Если же в реакции участвуют твёрдые вещества или растворители, то их концентрацию считают постоянной и в выражение константы равновесия их не включают вовсе. Например, для реакции

CaCO3(тв.) CaO(тв.) + CO2(г.)

выражение для константы равновесия записывают как

K = p(CO2)

Константа равновесия не зависит от концентрации продуктов и реаген-

тов катализаторов (так как катализаторы ускоряют и прямую, и обрат-

ную реакцию). Она зависит от температуры и природы продуктов и ре-

агентов.

131

Из того, что константа равновесия не зависит от концентрации компонентов равновесной системы, следует, что если в равновесную смесь ввести какой-то из компонентов, то концентрация остальных компонентов изменится. Значение константы равновесия при этом сохранится.

Выполните задания 2 и 3 после параграфа.

При увеличении температуры растёт скорость как прямой, так и обратной реакции. Однако, в соответствии с теорией активированного комплекса (см. рис. 26) энергия активации эндотермической реакции выше, чем экзотермической, а значит, её скорость растёт быстрее. В результате оказывается, что константа равновесия экзотермической реакции уменьшается, а эндотермической, наоборот, растёт. Это означает, что равновесие смещается в сторону эндотермической реакции.

Константа равновесия изменяется плавно. При температуре, соответствующей DG = 0 для изобарно-изотермических процессов или DF = 0 для

изохорно-изотермических процессов, константа равновесия становится равной 1. Если DG < 0, K > 1; если DG > 0, K < 1.

Равновесная система. Константа равновесия

1. Запишите выражение для константы равновесия реакции

2.При некоем изменении температуры равновесная концентрация CO2 над CaCO3 увеличилась в 1,5 раза. Как при этом изменилась константа равновесия реакции разложения CaCO3?

3.Запишите выражение для константы равновесия реакции

5. При некоторых условиях в реакторе синтеза аммиака установились следующие равновесные парциальные давления: азот — 160 атм, водород — 400 атм, аммиак — 100 атм. Чему равна константа равновесия синтеза аммиака при этих условиях?

132

6. При комнатной температуре константа равновесия процесса

CO2(г.) CO2 (р-р)

равна 0,034 моль/атм. Чему равна концентрация CO2: а) в бутылке с газированной водой, где p(CO2) = 2 атм; б) в воде, находящейся в равновесии с воздухом, в котором p(CO2) = 0,0004 атм? Превращением CO2 в угольную кислоту пренебречь.

7. При комнатной температуре константа равновесия процесса

H2O(р-тель) + CO2(р-р) H2CO3(р-р)

равна 0,01. Чему равна концентрация H2CO3: а) в бутылке с газированной водой, где p(CO2) = 2 атм; б) в воде, находящейся в равновесии с воздухом, в котором p(CO2) = 0,0004 атм? Диссоциацией угольной кислоты пренебречь.

8. При некоторой температуре в сосуде установилось равновесие

2NO2 N2O4

с константой, равной 1. Суммарное давление в сосуде составляет 1 атм, других компонентов нет. Чему равно равновесное парциальное давление компонентов?

Язнаю что такое константа равновесия

Яумею записывать выражения для констант равновесия разных реакций.

Японимаю, как константа равновесия позволяет рассчитывать равновесные

концентрации.

133