III. Химическое равновесие. Правило Ле Шателье-Брауна.

Характер смещения под влиянием внешних воздействий можно прогнозировать применяя принцип Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии оказывается воздействие из вне, то равновесие в системе смещается так, чтобы ослабить внешнее воздействие.

1. Влияние концентраций.

Повышение концентрации одного из реагирующих веществ смещает равновесие реакции в сторону расходования вещества.

Понижение концентрации – в сторону образования вещества.

2. Влияние температуры.

Повышение температуры смещает равновесие в сторону реакции, идущей с поглощением теплоты (эндотермической), а понижение температуры смещает равновесие в сторону реакции, идущей с выделением теплоты (экзотермической).

3. Влияние давления.

Повышение давления смещает равновесие в сторону реакции, идущей с уменьшением объема и, наоборот, понижение давления – в сторону реакции, идущей с увеличением объема.

3.1. Примеры решения задач.

Пример 1. Как изменится скорость реакции, протекающей в закрытом сосуде, если увеличить давление в 4 раза?

2NO(г.)+О₂(г.)= 2NO₂

Решение: увеличить давление в 4 раза означает увеличит и концентрацию газов во столько же раз.

1. Определяем скорость реакции до повышения давления.

V₁ = K*C²_NO*CO₂

2. Определяем скорость реакции после повышения давления.

V₂ = K*(4C_NO)² * (4CO₂) = 64 K*C²_NO*CO₂

3. Определяем во сколько раз возросла скорость реакции

V2 = 64 *K*C²_NO*CO₂ = 64

V1 K*C₂NO*CO₂

Ответ: скорость реакции возросла в 64 раза.

Пример 2.Во сколько раз возрастет скорость реакции при повышении температуры с 20 С до 50 С0. Температурный коэффициент равен 3.

Решение: по правилу Вант – Гоффа Vт₂=Vт₁*γ^T2-T1/10

По условию задачи требуется определить Vт₂

Vт₁

Подставим данные в формулу:

Vт₂ =γ^{T2 - T1/10} =3^(50-20)/10= 3³= 27

Vт₁

Ответ: скорость реакции возросла в 27 раз.

Пример 3. Вычисление константы равновесия реакции по равновесным концентрациям реагирующих веществ и определение их исходных концентраций.

При синтезе аммиака N₂+ ЗН₂== 2NН₃равновесие установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ (моль/л): C_N2= 2,5; C_H2= 1,8; C_NH3= 3,6. Paсчитайте константу равновесия этой реакции и концентрации азота и водорода.

Решение: определяем константу равновесия этой реакции:

K*_C = C²_NH3 = (3,6)² = 0,89

C_N2*C³_H3 2,5*(1,8)³

Константа равновесия, вычисленная по концентрациям реагирующих веществ, обозначается Кс

Исходные концентрации азота и водорода находим на основе уравнения реакции. На образование двух молей NH₃расходуется один моль азота, а на образование 3,6 молей аммиака потребовалось 3,6/2=1,8 моля азота. Учитывая равновесную концентрацию азота,

находим его первоначальную концентрацию:

C_исхN2 = 2,5 + 1,8 = 4,3 моль/л

На образование двух молей NH3необходимо израсходовать 3 моля водорода, а доля получения 3,6 моля аммиака требуется

3*3,6/2 = 5,4 моля.

C_исхН2 = 1,8 + 5,4 = 7,2 моль/л

Ответ: C_N2 = 4,3

C_H2= 7,2

Пример 4.Константа равновесия гомогенной системы

СО (г) + Н₂O (г) ==СО₂(г) + Н₂ (г)

при 850⁰С равна 1. Вычислите, концентрации всех веществ при равновесии, если исходные концентрации: [CO]_исх= 3 моль/л, [H₂O]_исх = 2 моль/л.

Решение: при равновесии скорости прямой и обратной реакций равны, а отношение констант этих скоростей есть тоже величина постоянная и называется константой равновесия данной системы:

V_пр = K₁[CO] [H₂O];

V_обр = K₂[CO₂] [H₂];

K_равн = K₁ = [CO₂] [H₂]

K₂ [CO] [H₂O]

В условии задачи даны исходные концентрации, тогда как в выражение K_равнвходят только равновесные концентрации всех веществ системы. Предположим, что к моменту равновесия концентрации [CO₂]_равн= х моль/л. Согласно уравнению системы число молей образовавшегося водорода при этом будет также х моль/л. По столько же молей (х моль/л) СО и Н₂О расходуется для образования по х молей СО₂, и Н₂. Следовательно, равновесные концентрации всех четырех веществ будут:

[CO₂]_равн=[Н₂]_равн= х моль/л,

[CO₂]_равн= (3 - х) моль/л,

[Н₂O]_равн= (2 - х) моль/л.

Зная константу равновесия, находим значение х, а затем и исходные концентрации всех веществ:

1 = х²

(3-х)*(2-х),

х²= 6 - 2х – 3х + х²; 5х = 6, х = 1,2 моль/л

Таким образом, искомые равновесные концентрации:

[CO₂]_равн= 1,2 моль/л.

[Н₂]_равн= 1,2 моль/л.

[CO]_равн= 3 – 1,2 = 1,8 моль/л.

[Н₂О]_равн= 2 - 1,2 = 0,8 моль/л.

Пример 5. Эндотермическая реакция разложения пентахлорида фосфора протекает по уравнению:

РСl₅(г) == PCl₃(г) + Сl₂(г); ΔН = + 129,7 кДж.

Как надо изменить: а) температуру, б) давление; в) концентрацию, чтобы сместить равновесие в сторону прямой реакции - разложения РСl₅?

Решение: смещением или сдвигом химического равновесия называют изменение, равновесных концентраций реагирующих веществ в результате изменения одного из условий реакции. Направление, в котором сместилось равновесие, определяется но принципу Ле-Шателье: а) так как реакция разложения РС1₅эндотермическая (ΔН > 0), то для смешения равновесия в сторону прямой реакции нужно повысить температуру; 6) так как в данной системе разложение РСl₅ведет к увеличению объема (из одной молекулы газа образуются две газообразные молекулы), то для смещения равновесия в сторону прямой реакции надо уменьшить давление; в) смещение равновесия в указанном направлении можно достигнут, как увеличением концентрации РСl₅, так и уменьшением концентрации PCl₃или Cl₂.