Обучающие задачи с решением

1. Как повлияет повышение давления и температуры на равновесие следующих обратимых реакций:

а ) СО(г) + 2Н₂(г) ((;(( СН₃ОН(г); Н < 0

3 моль 1 моль

б) N₂(г) + О₂(г) ((;(( 2NО(г); Н > 0

2 моль 2 моль

Решение:

а) Протекание реакции в прямом направлении приводит к уменьшению общего числа молей газов, т.е. к уменьшению давления в системе. Поэтому, согласно принципу Ле Шателье, повышение давления вызывает смещение равновесия в сторону прямой реакции.

Как видно из уравнения реакции, прямая реакция является экзотермической, то есть идет с поглощением тепла. Следовательно, повышение температуры вызывает смещение равновесия в сторону обратной реакции.

б) Число моль газов в правой и левой частях уравнения одинаково, поэтому при изменении давления равновесие не смещается.

Прямая реакция является эндотермической, следовательно, повышение температуры приводит к смещению равновесия в сторону прямой реакции.

2. Как повлияет на равновесную концентрацию водорода в системе: CH₄(г) + 2H₂S(г) ((;(( CS₂(г) + 4H₂(г)

увеличение концентрации СН₄? Напишите математическое выражение константы равновесия, используя парциальные давления.

Решение:

В соответствии с принципом Ле Шателье при увеличении концентрации исходных веществ равновесие смещается в сторону образования продуктов реакции, т.е. вправо. Следовательно, увеличение концентрации исходного вещества метана приведет к увеличению скорости прямой реакции и, соответственно, к увеличению выхода водорода. Константу равновесия можно выражать тремя способами: через равновесные концентрации (K_с), через парциальные давления (K_р) и через активные концентрации (K_а). Для данного обратимого процесса

K_равн = K_р = .

3. Вычислите константу равновесия, образования метилового спирта: СО(г)+2Н₂(г) ((;(( СН₃ОН(г), при с. у. Сделайте заключение о практической обратимости реакции при с.у.

Решение:

Справочные данные:

Н^о_обр(СО) = 110 кДж/моль;

Н^о_обр(СН₃ОН)= 239 кДж/моль;

Н^о_обр(Н₂)= 0 кДж/моль;

S^о_обр(СО) = +198 Дж/мольК;

S^о_обр(СН₃ОН)= +127 Дж/мольК;

S^о_обр(Н₂)= +131 Дж/мольК.

Н^о_р-ции = [Н^о_обр(СН₃ОН)]  [Н^о_обр(СО) + 2Н^о_обр(Н₂)];

Н^о_р-ции = 239  (110 + 0) = 129 000 Дж/моль.

S^о_р-ции = [S^о_обр(СН₃ОН)]  [ S^о_обр(СО) + 2S^о_обр(Н₂)];

S^о_р-ции = +127 [198 + 2131]= 333 Дж/мольК.

G^о_р-ции = Н^о  TS^о = 129 000  298(333) = 29766 Дж/моль;

= 12; K = е¹² = 1,6510⁵.

Ответ: K = 1,6510⁵, т.е. K  10³, следовательно, реакция при с.у. практически необратима.

4. Реакцию:

L-глутаминовая кислота + пировиноградная кислота  -кетоглутаровая кислота + L-аланин,

ускоряет фермент L-глутаматпируватаминотрансфераза. При 300 К константа равновесия этой реакции равна 1,11. Будет ли происходить самопроизвольно эта реакция, если концентрации исходных веществ и продуктов реакции в системе равны:

[L-глутаминовая кислота] = 310^-5 М; [пировиноградная кислота] = 3,310^-4 М; [-кетоглутаровая кислота] = 1,610^-2 М; [L-аланин] = 6,2610^-3 М.

Решение:

О самопроизвольности процесса можно судить по изменению свободной энергии системы для равновесного процесса. Изменение свободной энергии Гиббса зависит как от константы равновесия химической реакции, так и от концентраций реагирующих веществ и продуктов реакции. Эта зависимость выражается уравнением изотермы химической реакции Вант-Гоффа и для данной реакции имеет вид:

= +22,74 кДж/моль.

Ответ: G = +22,74 кДж/моль (G  0), реакция самопроизвольно протекать не будет.

Учебно-исследовательская лабораторная работа