Лабораторная работа №6 Химическое равновесие

Цель работы: изучение влияния различных факторов на химическое рав­новесие.

Оборудование и реактивы: разбавленные растворы хлорида железа (III) и роданида аммония в бюретках, концентрированный раствор FeCI₃, твердый хлорид аммония и роданид аммония, нитрат свинца (II), штатив и 4 пробирки, U-образная трубка, пробки с газоотводными трубками, спиртовка, два химических стакана, лед, электрическая плитка.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЯСНЕНИЯ

Понятие «химическое равновесие» применимо только к обратимым реакциям. Химическим равновесием называют такое состояние реагирующей системы, при котором скорость прямой реакции v_прям. равна скорости обратной реакции v_обрат.. 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. Для обратимой реакции

Н_2(г) +I_2(г) = 2HI_(г)

константа равновесия имеет вид:

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.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТОВ

Опыт 1 Влияние концентрации веществ на химическое равновесие.

В данном опыте изучают обратимую реакцию взаимодействия хлорида железа (III) с роданидом аммония. Роданид железа Fe(NCS)₃ придает раствору красную окраску. По изменению интенсивности окраски можно судить об изменении концентрации Fe(NCS)₃ т.е. о смещении равновесия в ту или иную сторону.

В четыре пробирки внесите по 5-10 капель разбавленных растворов хлорида железа (III) FeCI₃ и роданида аммония NH₄CNS. Легким встряхиванием пробирок размешайте растворы. Поставьте все пробирки в штатив.

В одну из пробирок добавьте несколько капель концентрированного раствора хлорида железа (III), в другую - несколько кристаллов роданида аммония, в третью - хлорида аммония, четвертую пробирку оставьте для сравнения.

Растворы размешайте энергичным встряхиванием или стеклянной палочкой.

При оформлении отчета отметьте изменение интенсивности окраски в каждом случае; запишите уравнение реакции между FeCI₃ и NH₄CNS и выражение константы равновесия данной реакции.

В каком направлении смещается равновесие и как изменяется концентрация каждого компонента в случае добавления: а) хлорида железа (III); б) роданида аммония; в) хлорида аммония?

Опыт 2 Влияние температуры на химическое равновесие.

В данном опыте изучают реакцию димеризации диоксида азота:

2NO₂ = N₂O₄

NO₂ - очень опасное вещество. (Опыт проводить в вытяжном шкафу!). По изменению окраски газовой смеси можно судить о концентрации ее компонентов, т.е. о смещении равновесия в сторону прямой или обратной реакции.

U-образную трубку, с двумя хорошо подобранными резиновыми пробками наполните диоксидом азота, который получите разложением нитрата свинца. Реакция протекает по уравнению

2Pb(N0₃)₂ = 2РЬО + 4NO₂ + О₂

Оба конца U-образной трубки плотно закройте резиновыми пробками и, перевернув ее концами вниз, поместите одно колено трубки в стакан с горячей водой, другой в стакан с ледяной водой (холодную и горячую воду приготовьте заранее).

Наблюдайте изменение окраски в том и другом колене U-образной трубки. Выньте трубку из стаканов, и то колено, которое было в холодной воде, опустите в горячую воду, а колено из горячей воды - в холодную. Наблюдайте вновь изменение окраски в каждом колене.

В каком направлении происходит смещение равновесия данной реакции при нагревании и охлаждении? Объясните смещение химического равновесия. Результаты наблюдений и выводов запишите в табл. 1.

Таблица 1.

Номер пробирки	Добавленное вещество	Степень изменения окраски раствора	Направление смещения равновесия
1
2
3

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Пример 1 Вычисление константы равновесия реакции по равновесным концентрациям реагирующих веществ и определение их исходных концентраций.

При синтезе аммиака N₂ +3H₂ = 2NH₃ равновесие установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ (моль/л): . Рассчитайте константу равновесии этой реакции и исходные концентрации азота н водорода.

Решение

Определяем константу равновесия К_с этой реакции:

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 3,6/2 = 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, а для получения 3,6 моль аммиака требуется 3∙3,6/2 = 5,4 моль; учитывая равновесную концентрацию водорода, находим его исходную концентрацию:

С_исх(Н₂) = 1,8 + 5,4 = 7,2 моль/л.

Таким образом, реакция начиналась при концентрациях (моль/л): С(N₂) = 4,3; С(H₂) = 7,2.

Пример 2 Вычисление равновесных концентраций реагирующих веществ.

Реакция протекает по уравнению А+В = 2C. 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 x моль, то увеличение концентрации вещества С будет равно 2x моль.

Равновесные концентрации реагирующих веществ будут: [A] = (0,5-х) моль/л; [B] = (0,7-х) моль/л; [С] = 2х моль/л.

К_с =

Решая это уравнение, получаем: x₁ = 0,86; x₂ = 0,44. По условию задачи справедливо значение х₂. Отсюда равновесные концентрации реагирующих веществ равны: [A] = (0,5-0,44) = 0,06 моль/л; [B] = (0,7-0,44) = 0,26 моль/л; [С] = 0,44∙2 = 0,88 моль/л.

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.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Какое состояние обратимой реакции называют химическим равновесием?

2. Напишите уравнение константы равновесия для каждого из следующих обратимых процессов:

а) 2N0₂ (г) = 2NO(r) + 0₂(г)

б) ЗН₂(г) + N₂(г) = 2NH₃(г)

в) Н₂(г) + СuО(к) = Н₂О(г) + Си(к)

Как сместится равновесие в каждом из указанных случаев при увеличении давления?

3. В каком направлении сместится равновесие при повышении температуры в следующих обратимых реакциях (тепловой эффект реакции рассчитайте по данным приложения [3]):

а) 2S0₂(г) + О₂(г) = 2S0₃(г)

б) Н₂(г) + Вr₂(г) = 2НВr(г)

в) N₂(г) + 0₂(г) = 2NO(г)

4. Рассчитайте константу равновесия реакции С₂₅Н₂₈0₇ + НС1 = С₂₅Н₂₇О₆С1 +Н₂О

если для ее проведения смешали 12 мл 10^-2 М раствора С₂₅Н₂₈0₇ и 15 мл 10^-2 М раствора НС1. Полученную смесь разбавили водой до 50 мл. Равновесная концентрация С₂₅Н₂₇О₆С1 оказалась равной 2,03∙10 ^-3 моль/л. Ответ: 3,14∙10⁵.

ЛИТЕРАТУРА

1. Коровин Н.В. Общая химия. -М.: Высш. шк., 2000, - с. 116-148

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

3. Романцева Л.М., Лещинская З.Л., Суханова В.А. Сборник задач и упражнений по общей химии. - М.: Высш. шк., 1991, - с. 92-100.