3.5. Смещение химического равновесия

Состояние химического равновесия сохраняется длительное время при неизменных условиях температуры, давления и концентрации. Изменение условий повлечёт за собой нарушение (смещение) равновесия. Смещение химического равновесия при изменении внешних условий определяется принципом Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказывать воздействие пу­тём изменения какого-либо из условия, определяющего это равновесие (темпера­туры, давления, концентрации), то равновесие смещается в направлении процесса, ослабляющего эффект внешнего воздействия.

Пример 9. Реакция N_2(г) + 3Н_2(г) ↔ 2NH_3(г) + Q протекает с выделением тепла. Как надо изменить: а) температуру; б) давление в) концентрацию, чтобы сместить равновесие в сторону прямой реакции – образования аммиака?

Решение

1. Исходя из принципа Ле Шателье с повышением температуры химиче­ское равновесие смещается в сторону реакции, идущей с поглощением тепла, а с понижением температуры – в сторону реакции, идущей с выделением тепла. Дан­ная реакция протекает с выделением тепла, следовательно, чтобы сместить равно­весие в сторону образования аммиака, необходимо температуру понизить.

2. Исходя из принципа Ле Шателье уменьшение внешнего давления сме­щает равновесие в сторону реакции, идущей с увеличением числа моль газооб­разных веществ (объёма газообразных веществ), и наоборот, увеличение внешне­го давления смещает равновесие в сторону, идущей с уменьшением числа моль газообразных веществ. В данной реакции число моль газообразных продуктов реакции (2 моль NH₃) меньше числа моль исходных веществ (1 моль N₂ + 3 моль Н₂ = = 4 моль), следовательно, повышение давления приводит к сдвигу химического равновесия в сторону образования аммиака.

3. По принципу Ле Шателье введение в равновесную систему дополнитель­ного количества какого-либо вещества смешает равновесие в том направлении, в котором концентрация введённого вещества уменьшается. В данной реакции, чтобы сместить равновесие в сторону образования аммиака, необходимо увели­чить концентрацию исходных веществ (N₂ и Н₂) или уменьшить концентрацию аммиака.

Контрольные задания

41. Реакция между сероводородом и кислородом протекает по уравнению H₂S_(г) + ЗО_2(г) = 2SО_2(г) + 2Н₂О_(г). Как изменится скорость прямой реак­ции, если увеличить в 3 раза:

1. концентрацию H₂S;

2. концентрацию О₂:

3. давление?

Ответ: Скорость реакции увеличится в 1) 9 раз; 2) 27 раз; 3) 243 раза.

42. Скорость химической реакции при повышении температуры на 10⁰С увеличи­лась в 2 раза. Во сколько раз возрастёт скорость этой реакции при увеличении температуры на 20 ⁰С?

Ответ: 4 раза.

43. Реакции протекают по уравнениям:

1. N₂О_4(г) ↔ 2NO_2(г),

2. 4NH_3(г) + 3O_2(г) ↔ 2N_2(г) + 6H₂O_(г) ,

3. 2S_(к) + 4H₂O_(г) ↔ 2SO_2(г) + 4H_2(г) ,

4. С_(к) + О_2(г) ↔ СО_2(г).

1. Напишите выражения констант равновесия (К_с и ) через молярные кон­центрации и парциальные давления реагентов.

2. Укажите, от каких из перечисленных ниже факторов не зависит константа равновесия: природа реагентов, температура, концентрация, энергия акти­вации, присутствие катализатора.

44. Реакция 2HI + H₂O₂ = 2Н₂О + I₂ протекает по стадиям:

1. HI + Н₂О₂ = Н₂О + НIO (медленная);

2. HIO + HI = Н₂О + I₂ (быстрая).

Напишите кинетическое уравнение реакции. Определите молекулярность ре­акции, общий порядок реакции и порядок реакции по веществу HI.

45. Реакция протекает по уравнению NO_(г) + N₂O_5(г) ↔ 3NO_2(г). В каком на­правлении сместится химическое равновесие, если концентрацию всех участ­ников реакции увеличить в 2 раза? Ответ мотивируйте на основании расчёта скорости прямой и обратной реакций.

46. Реакция между оксидом углерода (II) и водородом протекает по уравнению CO_(г) + 2Н_2(г) = СН₃ОН_(г). Как изменится скорость прямой реакции, если увеличить в 2 раза:

1) концентрацию СО;

2) концентрацию Н₂;

3) концентрацию СО и Н₂?

Ответ: Скорость реакции увеличится в 1) 2 раза; 2) 4 раза; 3) 8 раз.

47. Вычислите температурный коэффициент скорости, если скорость её при температуре 55 °С составляет 8,19 10^-2 моль/л∙с.

Ответ: 3,0.

48. Химическое равновесие реакции СО_(г) + Н₂О_(г) ↔ СО_2(г) + Н_2(г) установи­лось при следующих концентрациях реагирующих веществ (моль/л): [СО] = 0,02; [Н₂О] = 0,32; [СО₂] = 0,08; [Н₂] = 0,08. Вычислите константу равновесия реакции и исходные концентрации оксида углерода (II) и паров во­ды.

Ответ: K_c = 1,0; C_CO = 0,1; = 0,4.

49. Реакция Н₂ + 2ICl = I₂ + 2НСl протекает в две стадии:

1. IС1 + Н₂ ↔ НI + НСl (медленная);

2. ICl + HI ↔ I₂+ HC1 (быстрая).

Какая стадия определяет скорость реакции? Напишите кинетическое уравне­ние реакции. Определите молекулярность и общий порядок реакции. Почему молекулярность и порядок реакции не совпадают?

50. Напишите кинетическое уравнение для элементарной реакции 2NO_(г) + Cl_2(г) = 2NOCl_(г).

Определите, во сколько раз увеличится скорость реакции:

а) при повышении концентрации NO в 3 раза;

б) при повышении давления в системе в 2 раза?

Ответ: а) 9 раз; б) 8 раз.

51. Реакция разложения оксида азота (V) 2N₂O_5(г) = 2N₂O_4(г) + О_2(г) идёт по стадиям:

1. N₂O₅ = N₂О₃ + О₂ (медленная);

2. N₂O₃ = NO₂ + NO (быстрая);

3) NO + N₂O₅ = 3NO₂ (быстрая); 4) 2NO₂ = N₂O₄ (быстрая).

1. Каков порядок этой реакции?

1. Во сколько раз возрастет скорость реакции при увеличении концентрации N₂O₅ в два раза?

Ответ: возрастёт в 2 раза.

52. При температуре 50 °С некоторая реакция заканчивается за 20 с. Сколько вре­мени длится реакция при температуре 0 °С, если температурный коэффициент её равен 2?

Ответ: 640 с.

53. Химическое равновесие реакции СО_(г) + Сl­_2(г) ↔ СОС1_2(г) установилось при следующих концентрациях участников реакций (моль/л): [СО] = 0,18; [С1₂] = 0,25; [СОСl₂] = 2,025. Вычислите константу равновесия реакции и ис­ходные концентрации оксида углерода (II) и хлора.

Ответ: К_с = 45; С_CO = 2,205; = 2,275.

54. Исходные концентрации водорода и брома в обратимой химической реакции Н_2(г) + Вг_2(г) ↔ 2НВr_(г) были (моль/л): С_Н = 0,02; С_Вг = 0,02, а равновес­ная [H₂] = 0,005. Вычислите равновесную концентрацию бромоводорода и константу равновесия реакции (К_c).

Ответ: [НВr] = 0,030 моль/л; К_c = 36.

55. Химическое равновесие реакции 2A + B ↔ 2C установилось при следующих концентрациях участников реакции (моль/л): [А] = 0,5; [B] = 0,7; [С] = 2,1. В какую сторону сместится химическое равновесие, если в системе уменьшить общее давление в 2 раза? Ответ мотивируйте на основании расчёта скоростей прямой и обратной реакций.

55. Реакция между оксидом азота (II) и водородом протекает по уравнению 2NO_(г) + Н_2(г) ↔ N₂O_(г) + Н₂О_(г). Во сколько раз скорость прямой реакции станет больше скорости обратной реакции, если увеличить давление в системе в 2 раза?

Ответ: 2 раза.

57. Реакция разложения йодоводорода протекает по уравнению 2НI_(г) ↔ ↔ Н_2(г) + I_2(г). Температурный коэффициент скорости прямой реакции равен 2. Рассчитайте, на сколько градусов следует повысить температуру, что­бы скорость реакции возросла в 8 раз?

Ответ: Δt = 30⁰.

58. Химическое равновесие реакции 2NO_(г) + О_2(г) ↔ 2NO_2(г) установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ (моль/л): [NO] = 0,03; [O₂] = = 0,06; [NO₂] = 0,02. Вычислите константу равновесия реак­ции и исходные концентрации оксида азота (II) и кислорода.

Ответ: К_c = 7,4; C_NО = 0,05 моль/л; = 0,07 моль/л.

59. Исходные концентрации оксида серы (IV) и кислорода в обратимой химиче­ской реакции 2SO_2(г) + О_2(г) ↔ 2SO_3(г) были: = 0,06 моль/л; = 0,07 моль/л. Равновесие установилось при [O₂] = 0,06 моль/л. Вычисли­те равновесные концентрации [SO₂], [SO₃] и константу равновесия реакции (К_c). Ответ: [SO₂] = 0,04 моль/л; [SO₃] = 0,02 моль/л; К_с = 4,167.

60. Реакция протекает по уравнению А + В ↔ АВ. Напишите кинетическое уравнение прямой и обратной реакции и определите, в какую сторону сме­стится химическое равновесие, если повысить температуру на 20 °С? Темпе­ратурные коэффициенты прямой и обратной реакции соответственно равны 2 и 4.