Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
лекция -кислород.docx
Скачиваний:
0
Добавлен:
04.02.2026
Размер:
183.5 Кб
Скачать

Равновесными концентрациями.

W+ = k+ [A]i[B]j,

W- = k– [C]m[D]n

W+ = W- (равновесие)

k[A]iравн.[B]jравн.

= k– [C]mравн.[D]nравн.

( )

[C]mравн[D]nравн.

 

+

 

 

 

=

 

 

K

A]

i

j

k

 

равн[B]равн.

 

 

 

Величина K называется константой химического равновесия, характеризует химическое равновесие в системе при данной температуре и равна отношению равновесных концентраций продуктов в степенях стехиометрических коэффициентов к равновесным концентрациям реагентов в степенях стехиометрических коэффициентов.

Химическое равновесие – это особое динамическое состояние системы, при котором в ней идут химические реакции, однако не происходит никаких изменений физических параметров (температуры, давления, объема, числа частиц, концентрации, показателя преломления, плотности и пр.).

Для нас химическое равновесие привлекательно, как «финиш» (окончание) химической реакции: поскольку в состоянии равновесия концентрации не изменяются, то достаточно определить эти концентрации – и Вы знаете все о состоянии системы.

Важное ограничение: при выводе формулы мы рассматривали гомогенную химическую реакцию. Полученный нами вывод справедлив и для случая гетерогенных реакций, однако нужно твердо запомнить: концентрация твердых веществ постоянна, поэтому она «включена» в константу скорости химической реакции (значит, в значение константы равновесия). Следовательно, твердые вещества в выражение для константы равновесия ( ) не входят.

Замечание. В рамках школьной программы мы ограничимся только простейшими расчетами равновесных систем и общими принципами управления равновесием химической реакции, однако в университете Вы познакомитесь с методами расчета констант химического равновесия для множества химических реакций в широком диапазоне температур.

Лекция 8.

Факторы, влияющие на скорость реакции. Химическое равновесие.

Пример 1. Запишите выражение константы равновесия для следующих реакций

а) N2 (г) + H2 (г) = NH3 (г)

Ответ:

б) KMnO4 (тв.) = K2MnO4 (тв.) + MnO2 (тв.) + O2 (г).

Ответ:

в) Zn (тв.) + H+ (р-р) = Zn2+ (р-р) + H2 (г).

Ответ:

=

 

[NH

]2равн.

 

[N ]равн[H ]3равн.

 

[O]равн.

 

 

=

[H

]равн[Zn2+ ]равн.

 

[H

]2равн.

 

 

Всегда обращайте внимание на размерность константы равновесия. Как правило, константа равновесия выражается через концентрации и имеет соответствующую размерность. Так, в примере а) размерность константы равновесия M-2, в примере б) М, а в примере в) константа равновесия – число (безразмерная). Константу равновесия, выраженную через концентрации, обозначают KC.

Однако, как Вы знаете, для газообразных продуктов удобно приводить не концентрацию газа, а его парциальное давление (т.е. какую долю общего давления создает данный газ). В таком случае, в размерности константы равновесия появятся единицы давления – Паскали (Па), миллиметры ртутного столба (мм.рт.ст., или Торр, 133,3 Па), бары (105 Па) или атмосферы (атм., 101325 Па). Константу равновесия, выраженную через давления, обозначают KP.

Взаимосвязь между Kи Kполучается очень легко, покажем на примере а)

Из уравнения состояния идеального газа Клапейрона-Менделеева PV = νRT следует, что давление прямо пропорционально концентрации: P = CRT (#).

Подставим в выражение для Kполученное выражение

 

 

P

2

 

 

 

 

C

(RT )2

 

 

 

 

 

 

 

KP

=

NHравн.

 

KP

=

 

 

NHравн.

 

 

 

K

 

(RT )−2

K

 

P

3

 

C

(RT × C

3

(RT )3

 

P

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nравн.

Hравн.

 

 

 

 

Nравн.

 

Hравн.

 

 

 

 

 

 

 

Итак, для перехода от Kк Kвеличину Kнеобходимо умножить на произведение RT в степени, которая равна изменению количества вещества газообразных продуктов (в нашем примере из 4 моль газов получалось 2 моль аммиака, поэтому степень -2).

Пример 2. В начальный момент времени в системе находилось 1,2 М азота и 0,3 М кислорода. Через смесь пропустили электрический разряд, в результате чего образовался оксид азота(II) и установилось равновесие при температуре 298 К, причем концентрация кислорода в системе составила 0,05 М. Рассчитайте равновесные концентрации всех веществ и константы равновесия Kи KP.

Лекция 8.

Факторы, влияющие на скорость реакции. Химическое равновесие.

Решение.

Записываем уравнение химической реакции: N2 (г) + O2 (г) 2 NO (г).

Затем вспомним школьные чудесные годы примерно третьего класса и составим очень полезную табличку, в которой столбики будут веществами а строки подпишем словами «Было», «Прореагировало» и «Стало».

Пусть израсходовалось моль азота. По уравнению реакции кислорода израсходовалось столько же, а вот оксида азота(II) образовалось в 2 раза больше (коэффициент). Знак «минус» поставим для реагентов, знак «плюс» - для продуктов.

 

Азот N2

Кислород O2

Оксид азота(II) NO

 

 

 

 

Было

1,2 М

0,30 М

0

 

 

 

 

Прореагировало

x

x

+ 2x

 

 

 

 

Стало (равновесие)

1,2 – x

0,30 – x

2x

 

 

 

 

Так как нам известно, что кислорода в равновесии осталось 0,05 М, следовательно, = 0,25 M. Тогда равновесные концентрации азота 0,95 М, кислорода 0,05М, оксида азота(II) – 0,50 М.

Выражение для константы равновесия: K=

[NO]2равн.

, откуда K= 5,26 (безразмерная)

[N ]равн[O]равн.

 

 

Так как изменение количества газообразных продуктов в реакции не происходит, то

K= K= 5,26.

Управление химическим равновесием. Принцип Ле-Шателье.

(разобрать самостоятельно)

Рассмотрим наши возможности управлять химическим равновесием на примере промышленного окисления оксида серы(IV) до оксида серы(VI) на катализаторе V2O5.

2 SO2 (г.) + O2 (г.) 2 SO3 (г.) + Q

Пусть в некоторый момент времени система достигла состояния равновесия.

Принцип Ле-Шателье: если на химическую систему, находящуюся в равновесии, оказывают внешнее воздействие, то положение равновесия в системе смещается таким образом, чтобы уменьшить это воздействие.

Лекция 8.

Факторы, влияющие на скорость реакции. Химическое равновесие.

Параметр 1Концентрация веществ: увеличим концентрацию кислорода в реакционной смеси. При этом вырастет скорость прямой реакции W+ = k+[SO2]2[O2], а скорость обратной реакции в начальный момент времени не изменится W-=k-[SO3]2. Следовательно, равновесие нарушено – и в системе происходит прямой процесс. Расходование кислорода и оксида серы(IV) и образование триоксида серы будет продолжаться до тех пор, пока система не достигнет нового состояния равновесия.

Следовательно, добавление в реакционную смесь реагентов смещает положение равновесия в сторону прямой реакции, а добавление продуктов – в сторону обратной реакции.

Параметр 2. Увеличение температуры.

Реакция окисления оксида серы(IV) экзотермическая, а реакция разложения оксида серы(VI) – эндотермическая. Увеличение температуры эквивалентно тому, что мы сообщили системе некоторое количество теплоты. В этом случае система будет стараться использовать (поглотить) это количество теплоты – и равновесие смещается в сторону эндотермической (в данном случае, обратной) реакции. Для увеличения содержания триоксида серы реакционную смесь следует не нагревать, а охлаждать.

Таким образом, повышение температуры смещает положение равновесия в сторону эндотермической реакции, а понижение температуры – в сторону экзотермической реакции.

Параметр 3. Увеличение давления.

Давление имеет значение только в том случае, если в реакционной смеси присутствуют вещества в газообразном состоянии. Увеличение давления в раз эквивалентно увеличению концентрации каждого газа в раз, см. уравнение (#).

Если в реакции одинаковое количество газообразных реагентов и продуктов (в моль), то скорости прямой и обратной реакции изменятся одинаково и состояние равновесия сохранится.

Если количества газообразных реагентов и продуктов различны, то при увеличении давления равновесие смещается в сторону меньшего объема газообразных веществ (система «сжимается»), а при уменьшении давления – в сторону большего их объема (система разрежается1, расширяется).

Например, в рассматриваемой реакции окисления диоксида серы, газообразными являются 3 моль реагентов и только 2 моль продуктов, поэтому увеличение давления способствует смещению равновесия в сторону образования триоксида серы (прямой реакции).