2.1.2. Химическое равновесие Теоретические пояснения

Понятие «химическое равновесие» применимо только к обрати­мым реакциям. Химическим равновесием называют такое состояние реагирующей системы, при котором скорость прямой реакции V_прямая равна скорости обратной реакции V_{обратная} . Равенство скоростей прямой и обратной реакций является кинетическим условием химического равновесия.

Химическое равновесие характеризуется постоянным для дан­ных условий соотношением равновесных концентраций всех ве­ществ, участвующих во взаимодействии.

Величина, равная отношению произведения равновесных кон­центраций продуктов реакции к произведению равновесных кон­центраций исходных веществ в степенях их стехиометрических коэффициентов, называется константой равновесия. Если в выражении константы равновесия концентрации веществ приведены в моль/л, то такая константа называется К_с. Когда реагирующие вещества находятся в газовой фазе, то можно концентрацию заменить на парциальные давления этих веществ. Константа равновесия, в которой концентрации реагирующих веществ представлены парциальными давлениями этих веществ называется К_р.

Для обратимой реакции Н_2(г) + I_2(г) 2HI_(г) константа равновесия имеет вид:

K_c =

Для обратимой реакции синтеза аммиака N₂+3H₂2NH₃, константа равновесия имеет вид:

K_c =

Константа равновесия зависит от природы реагентов, темпе­ратуры и не зависит от исходной концентрации веществ в сис­теме.

Химическое равновесие остается неизменным до тех пор, пока постоянны параметры, при которых оно установилось. При измене­нии условий равновесие нарушается. Через некоторое время в сис­теме вновь наступает равновесие, характеризующееся новым равен­ством скоростей и новыми равновесными концентрациями всех ве­ществ.

Равновесие смещается в ту или иную сторону потому, что из­менение условий по-разному влияет на скорости прямой и обратной реакций. Равновесие смещается в сторону той реакции, скорость которой при нарушении равновесия становится больше. Например, если при изменении внешних условий равновесие нарушается так, что скорость прямой реакции становится больше скорости обратной реакции, то равновесие смещается вправо.

В общем случае направление смещения равновесия определяется принципом Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии , оказывать внешнее воздействие, то равновесие смещается в том направлении, которое ослабляет эффект внешнего воздействия.

Необходимый уровень подготовки студентов

1. Знать понятия: химическое равновесие, константа химического равновесия, принцип Ле – Шателье.

2. Уметь на основе принципа Ле-Шателье предсказывать направление смещения химического равновесия при оказании на систему внешнего воздействия.

Литература

1. Романцева Л.М., Лещинская З.Л, Суханова В.А. Сборник задач и упражнений по общей химии - М.: Высш. шк., 19991.-с. 74-100.

2. Коровин Н.В. Общая химия .-М.:Высш. шк., 2000, -с. 116-203

3. Глинка Н.Л. Общая химия - Л.: Химия. 1985, -с.184-187.

Примеры решения задач

Задача 1. При синтезе аммиака N₂ +3H₂ 2NH₃ равновесие установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ (моль/л):

= 2,5; = 1,8;= 3,6. Рассчитайте константу равновесии этой реакции и исходные концентрации азота и водорода,

Решение. Определяем константу равновесия К_С этой реакции:

K_c = = (3,6)²/ 2,5 (1,8)³ = 0,89

Исходные концентрации азота и водорода находим на основе уравнения реакции. На образование 2 моль NH₃,, расходуется 1 моль азота, а на образование 3,6 моль аммиака потребовалось З,6/2 = 1,8 моль азота. Учитывая равновесную концентрацию азота, на­ходим его первоначальную концентрацию:

С_исх (Н₂) = 2,5 + 1,8 = 4,3 моль/л

На образование 2 моль NH₃ необходимо израсходовать 3 моль водорода, и для получения 3,6 моль аммиака требуется 3х3,6/2=5,4 моль; С_исх(Н₂) = 1,8 + 5,4 = 7,2 моль/л.

Таким образом, реакция начиналась при концентрациях (моль/л): С(N₂) = 4.3; C (H₂) = 7,2

Задача 2. Объемный состав реакционной смеси в момент равновесия для реакции 2СО₂ = 2СО+О₂ был следующий: 88,72 % СО₂; 7,52 % СО; 3,76 % О₂. Найдите К_р для реакции, если общее давле­ние в системе при данной температуре (2273 К) равно 1,0133 • 10⁵ Па,

Решенне. Для реакций, протекающих между газами, при вычислении константы равновесия удобно пользоваться парциальным давлениями реагирующих веществ. Константу равновесия К_р - вычисляют через парциальные давления:

К_р = (1)

Определив парциальные давления реагирующих веществ:

= 1,013310⁵ 0,8872= 0,8990 х 10⁵ Па;

Р_СО =1, 0133 10⁵•0,0752 =0,0762 х 10⁶ Па;

1,013310⁵ 0,0376= 0,0381.10⁵ Па,

Подставив соответствующие значения парциальных давлений СО₂, СО и О₂ в выражение 1 получим К_р = 27,35 Па.

Задача 3. Реакция протекает по уравнению А+В2С. Определите рав­новесные концентрации реагирующих веществ, если исходные кон­центрации веществ А и В соответственно равны 0,5 и 0,7 моль/л, а константа равновесия реакции К_С =50.

Решение. К моменту равновесия концентрации веществ А и В понизятся, а концентрация вещества С увеличится. На каж­дый моль веществ А и В образуется 2 моль вещества С; поэтому, если понижение концентрации веществ А и В обозначить через Х моль, то увеличение концентрации вещества С будет равно 2Х моль.

Равновесные концентрации реагирующих веществ будут: С_А= (0,5- х) моль/л; С_В = (0,7-х)моль/л; С_С = 2х моль/л.

К_с = С² _С /С_АС_В = 4х²/(0,5 –х) ( 0,7-х) =4х² / (0,35 – 1,2х + х²) = 50;.

Решая это уравнение, получаем: х₁ = 0,86; х₂ = 0,44. Так как, исходные концентрации веществ А и В были 0,5 и 0,7 моль/л соответственно, то их конверсия (превращение или расход) не может быть выше этих величин. Следовательно, по усло­вию задачи справедливо значение х₂. Отсюда равновесные концент­рации реагирующих веществ равны: С_А=0,5 - 0,44 = 0,06 моль/л; С_В = 0,7- 0,44 = 0,26 моль/л; С_С = 0,442 = 0,88 моль/л.

Задача 4: 4. Рассчитайте константу равновесия реакции

С₂₅Н₂₈0₇ + НС1 С₂₅Н₂₇О₆С1 + Н₂O

если для ее проведения смешали 12 мл 10^-2М раствора С₂₅Н₂₈0₇ и 15 мл 10^-2М раствора НС1. Полученную смесь разбавили водой до 50 мл. Равно­весная концентрация С₂₅Н₂₇О₆С1 оказалась равной 2,0310^-3 моль/л.

Решение: Вычислим количество исходных и конечных веществ до и после реакции. Известно, что количество вещества определяется как произведение молярной концентрации (моль/л) и объема раствора (в литрах). Тогда имеем:

^о(С₂₅Н₂₈0₇)=1210^-310^-2=1,210^-4моль, и ^о (НСl)=1510^-310^-2=1,510^-4 моль.

(С₂₅Н₂₇О₆С1) = 5010^-32,0310^-3=1,01510^-4 моль.

Если образовалось продукт, в количестве 1,01510^-4 моль, то в соответствии с реакцией, столько же было израсходовано соляной кислоты и С₂₅Н₂₈0₇. Следовательно, в равновесной смеси, концентрация исходных веществ составит: С_М(С₂₅Н₂₈0₇)= и С_М(НСl)= . Константу равновесия считаем по уравнению К_С= =

Задача 5: Константа химического равновесия реакции С₂H_6(г) С₂Н_4(г)+ Н_2(г) при 1500К равна 38,4. Определить направление реакции, если в начале реакции парциальные давления в газовой смеси компонентов составляли: этана - 0,06Мпа, этилена - 0,02 Мпа и водорода 0,01 МПа.

Решение: В этой задаче приведены парциальные давления реагирующих компонентов смеси. Поэтому, в данном случае следует пользоваться выражение К_р.

К_р=

Как видно, расчет значения К_р по исходным показателям давления реагирующих газов дает значения, намного меньше, чем значения константы равновесия (38,4). Это означает, что в результате химических превращений, давления реагирующих газов изменились таким образом, что их отношение приводит к увеличению дроби. Такая ситуация возможна, если возраст числитель, при этом уменьшится знаменатель. То есть, в реакционной среде должно быть увеличено давление этилена и водорода, и уменьшено давление этана. Такая ситуация возможна, если в ходе реакции будет израсходован этан (знаменатель) в результате чего будут возрастать давление водорода и этилена. Это означает, что реакции направлена слева на право, то есть реакция идет в сторону разложения этана с образованием водорода и этилена.

Перечень контрольных задач по теме 2.1.2