8 Лабораторная работа №7
Исследование химического равновесия
Цель работы: познакомиться с явлением химического равновесия, изучить влияние изменения концентрации реагирующих веществ и температуры на смещение химического равновесия.
Оборудование и реактивы: стакан или колба на 50 – 100 мл, пробирки, пипетки капельные, шпатели, колбочка на 50 мл с отогнутой вниз газоотводной трубкой, U-образная трубка с двумя хорошо подобранными резиновыми пробками или две пробирки, соединенные между собой стеклянной трубкой, два стакана на 200 – 250 мл, электроплитка, снег или лед, 0,1М растворы NH4CNS и FeCl3, концентрированные растворы NH4CNS и FeCl3, кристаллический NH4Cl, медные стружки, концентрированная азотная кислота.
8.1 Теоретические пояснения
Химические реакции бывают обратимые и необратимые. Необратимые протекают только в одном направлении, в сторону образования продуктов реакции до полного расходования исходных веществ. Обратимые реакции одновременно протекают в двух взаимно противоположных направлениях. Такие реакции не доходят до конца ни в одном из направлений, ни одно из реагирующих веществ не расходуется полностью.
Состояние системы, характеризующееся одновременным протеканием с одинаковыми скоростями двух противоположно направленных химических процессов, называется химическим равновесием. В состоянии равновесия концентрации всех веществ остаются неизменными.
Признаки химического равновесия:
-
состояние системы неизменно во времени при отсутствии внешних воздействий;
-
состояние системы изменяется под влиянием внешних воздействий, сколь бы малы они ни были; через некоторое время в такой системе вновь устанавливается равновесие, но уже при другом соотношении равновесных концентраций всех веществ;
-
состояние системы не зависит от того, с какой стороны она подходит к равновесию (со стороны прямой или обратной реакции);
-
при снятии внешнего воздействия система вновь возвращается в исходное состояние.
В изобарно-изотермических условиях (P; T=const) при равновесии изменение энергии Гиббса системы равно нулю (G=0).
Рассмотрим условную обратимую реакцию
aA+bB⇄ cC+dD.
Закон действующих масс для нее запишется в виде:
, (8.1)
где К – константа равновесия;
A, B, C, D – равновесные концентрации веществ;
a, b, c, d – стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции.
Константа равновесия зависит от температуры и природы веществ, но не зависит от их концентрации Чем больше величина константы равновесия, тем в большей степени равновесие смещено в сторону образования продуктов реакции. Таким образом, константа равновесия характеризует глубину протекания процесса к моменту равновесия.
Для реакций с участием газов константу равновесия (Кр) можно выразить и через парциальные давления газообразных веществ. Если газы не сильно отличаются по свойствам от идеальных, то между константой, выраженной через парциальные давления (Кр), и константой, выраженной через концентрации (Кс), существует связь:
Kp=Kc(RT), (8.2)
где – изменение числа моль газообразных веществ в ходе реакции в соответствии с ее стехиометрией.
Константа равновесия при температуре Т связана с изменением стандартной энергии Гиббса реакции G0 при той же температуре соотношением
G0= - RTlnKp. (8.3)
В гетерогенных реакциях концентрация конденсированной фазы практически постоянна, она в неявной форме входит в константу равновесия. В выражение для константы равновесия концентрации конденсированной фазы не включаются.
При изменении внешних условий равновесие смещается потому, что эти изменения по-разному влияют на скорости прямой и обратной реакций. Равновесие смещается в сторону той реакции, скорость которой становится больше.
На равновесие влияет изменение температуры, концентрации веществ, давления в системе (если реакция идет с изменением числа моль газообразных веществ). Введение катализатора не смещает равновесие, так как он в равной мере изменяет скорость как прямой, так и обратной реакции. Катализатор лишь сокращает время достижения системой состояния равновесия.
В общем случае направление смещения равновесия определяется принципом Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказать внешнее воздействие, то равновесие сместится в том направлении, которое ослабляет это воздействие.
8.2 Методика проведения опыта
8.2.1 Смещение химического равновесия при изменении концентрации веществ
В небольшом стакане смешайте по 2мл разбавленных растворов FeCl3 и NH4CNS. Разбавьте полученный раствор дистиллированной водой так, чтобы он был светло-красным. В этом случае легко заметить как усиление, так и ослабление интенсивности окраски. Красный цвет раствора обусловлен роданидом железа (III), а точнее комплексным анионом Fe(CNS)63-, который образуется в результате обратимой реакции:
FeCl3+6 NH4CNS⇄ (NH4)3Fe(CNS)6+3 NH4Cl
Fe3++6 (CNS)- ⇄ Fe(CNS)63-.
Раствор из стаканчика разлейте поровну в 4 пробирки. Одну из пробирок используйте в качестве контрольной. Во вторую пробирку добавьте 2 – 3 капли концентрированного раствора FeCl3, в третью – немного кристаллического NH4Cl, в четвертую добавьте 2 – 3 капли насыщенного раствора NH4CNS. Встряхните содержимое пробирок. Сравните окраску раствора в трех пробирках с контрольной пробиркой. По изменению интенсивности окраски можно судить о направлении смещения химического равновесия. Заполните таблицу 8.1.
Таблица 8.1 – Результаты опыта
№ пробирки |
Что добавлено |
Как изменилась интенсивность окраски |
В какую сторону сместилось равновесие |
1 2 3 4 |
раствор FeCl3 кристаллический NH4Cl раствор NH4CNS |
|
|
Запишите выражение для константы равновесия данной реакции и на его основе, а также на основе принципа Ле Шателье объясните наблюдаемые явления.
8.2.2 Влияние изменения температуры на смещение химического равновесия (опыт демонстрируется преподавателем)
Оксид азота (IV) способен димеризоваться. В результате обратимой реакции
2NO2 ⇄ N2O4+54,39 кДж
устанавливается химическое равновесие. Так как NO2 – газ темно-бурого цвета, а N2O4 – бледно-желтый, почти бесцветный газ, то по изменению окраски газовой смеси можно судить о концентрации ее компонентов, то есть о смещении равновесия в сторону прямой или обратной реакции.
U-образную трубку заполняют оксидом азота (IV), который получают по реакции взаимодействия меди с концентрированной азотной кислотой. Для этого в колбочку кладут немного медных стружек и приливают к ним 5 – 10 мл концентрированной азотной кислоты. Затем закрывают колбу газоотводной трубкой, и опускают ее конец в U-образную трубку. Все операции осуществляются под тягой.
После того, как U-образная трубка наполнится коричневым газом, ее концы плотно закрывают резиновыми пробками. Одно колено трубки помещается в стакан с горячей водой, другой – в воду со льдом или снегом. Наблюдается изменение окраски в обоих коленах. В каком направлении происходит смещение равновесия данной реакции при нагревании и охлаждении?
Заполните таблицу 8.2.
Таблица 8.2 – Результаты опыта
Температура |
Как изменилась окраска газа |
В какую сторону сместилось равновесие |
Выше комнатной |
|
|
Ниже комнатной |
|
|
Дайте объяснение наблюдаемым явлениям, исходя из принципа Ле Шателье.
8.3 Примеры решения задач