Решение задачи по теме «Химическое равновесие»

Задача

Укажите, как повлияет:

а) повышение давления;

б) повышение температуры;

в) увеличение концентрации кислорода на равновесие системы:

2CO (г) + O2 (г) ↔ 2CO2 (г) + Q

Решение:

а) Изменение давления  смещает равновесие реакций с участием газообразных веществ (г). Определим объёмы газообразных веществ до и после реакции по стехиометрическим коэффициентам:

По принципу Ле Шателье, при увеличении давления, равновесие смещается в сторону образования веществ, занимающих меньший объём, следовательно равновесие сместится вправо, т.е. в сторону образования СО2, в сторону прямой реакции (→).

б) По принципу Ле Шателье, при повышении температуры, равновесие смещается в сторону эндотермической реакции (-Q), т.е. в сторону обратной реакции – реакции разложения СО2 (←), т.к. по  закону сохранения энергии:

Q - 2CO (г) + O2 (г) ↔ 2CO2 (г) + Q

в) При увеличении концентрации кислорода равновесие системы смещается в сторону получения СО2 (→) т.к.  увеличение концентрации реагентов (жидких или газообразных) смещает в сторону продуктов, т.е. в сторону прямой реакции.

 Дополнительно:

Пример 1. Во сколько раз изменится скорость прямой и обратной реакции в системе:

2SO2(г) + O2(г) = 2SO3(г)

если объем газовой смеси уменьшить в три раза? В какую сторону сместится равновесие системы?

Решение. Обозначим концентрации реагирующих веществ: [SO2]= a, 2] = b, [SO3] = с. Согласно закону действия масс скорости v прямой и обратной реакции до изменения объема:

vпр = Ка2b

    vобр = К1с2.

После уменьшения объема гомогенной системы в три раза концентрация каждого из реагирующих веществ увеличится в три раза: [SO2] = 3а, [О2] = 3b; [SO3] = 3с. При новых концентрациях скорости vпрямой и обратной реакции:

vпр = К(3а)2(3b) = 27Ка2b

vобр = К1(3с)2 = 9К1с2

Отсюда:


Следовательно, скорость прямой реакции увеличилась в 27 раз, а обратной – только в девять раз. Равновесие системы сместилось в сторону образования SO3.

Пример 2. Вычислите, во сколько раз увеличится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры от 30 до 70оС, если температурный коэффициент реакции равен 2.

Решение. Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется эмпирическим правилом Вант-Гоффа по формуле:

Следовательно, скорость реакции νТ2 при температуре 70оС больше скорости реакции νТ1 при температуре 30оС в 16 раз.

Пример 3. Константа равновесия гомогенной системы:

СО(г) + Н2О(г) = СО2(г) + Н2(г)

при 850оС равна 1. Вычислите концентрации всех веществ при равновесии, если исходные концентрации: [СО]исх =3 моль/л, [Н2О]исх = 2 моль/л.

Решение. При равновесии скорости прямой и обратной реакций равны, а отношение констант этих скоростей постоянно и называется константой равновесия данной системы:

vпр = К1 [СО][Н2О]

vобр = К2[СО2][Н2]


В условии задачи даны исходные концентрации, тогда как в выражение Кр входят только равновесные концентрации всех веществ системы. Предположим, что к моменту равновесия концентрации [СО2]р = 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:

[СО2]р = [Н2]р = х моль/л;

[СО]р = (3 – х) моль/л;

2О]р = (2 – х) моль/л.

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


Таким образом, искомые равновесные концентрации:

[СО2]р = 1,2 моль/л;

2]р= 1,2 моль/л;

[СО]р = 3 – 1,2 = 1,8 моль/л;

2О]р = 2 – 1,2 = 0,8 моль/л.

Пример 4. При некоторой температуре равновесные концентрации в системе

2CO (г) + O2 (г) ↔ 2CO2 (г) составляли: [CO] = 0,2 моль/л, [O2] = 0,32 моль/л, [CO2] = 0,16 моль/л. Определить константу равновесия при этой температуре и исходные концентрации CO и O2, если исходная смесь не содержала СО2.

Решение:

1). Так как в условии задачи  даны равновесные концентрации, то константа равновесия равна 2:

2). Если исходная смесь не содержала СО2, то на момент химического равновесия в системе образовалось 0,16 моль СО2.

По УХР:

2CO(г) + O2(г) ↔ 2CO2(г)

На образование 0,16 моль СО2 затрачено:

υпрореагировавшее(СО)=υ(CO2)=0,16 моль

υпрореагировавшее2)=1/2υ(CO2)=0,08 моль

Следовательно,

υисходное = υпрореагировавшее + υравновесное

υисходное (СО)=0,16 +0,2 = 0,36 моль

υисходное (O2)=0,08 +0,32 = 0,4 моль

Вещество

CO

O2

CO2

Сисходная

0,36

0,4

0

Спрореагировавшая

0,16

0,08

0,16

Сравновесная

0,2

0,32

0,16









Пример 5. Определить равновесную концентрацию HI в системе

H2(г) + I2(г) ↔ 2HI(г),

если при некоторой температуре константа равновесия равна 4, а исходные концентрации H, I2 и HI равны, соответственно, 1, 2 и 0 моль/л.

Решение. Пусть к некоторому моменту времени образовалось x моль/л  HI 

Вещество

H2

I2

HI

сисходн., моль/л

1

2

0

спрореагир., моль/л

х/2

х/2

x

cравн., моль/л

1-x/2

2-x/2

x

Тогда,

Решая это уравнение, получаем, что равновесная концентрация HI равна 1,33 моль/л.

Пример 6. Эндотермическая реакция разложения пентахлорида фосфора протекает по уравнению:

PCl5(г) = РСl3(г) + Сl(г); ΔН = + 92,59 кДж.

Как надо изменить: а) температуру; б) давление; в) концентрацию, чтобы сместить равновесие в сторону прямой реакции – разложения PCl5?

Решение. Смещением или сдвигом химического равновесия называют изменение равновесных концентраций реагирующих веществ в результате изменения одного из условий реакции. Направление, в котором сместилось равновесно, определяется по принципу Ле Шателье: а) так как реакция разложения PCl5 эндотермическая (ΔН > 0) то для смещения равновесия в сторону прямой реакции нужно повысить температуру; б) так как в данной системе разложение РСl5 ведет к увеличению объема (из одной молекулы газа образуются две газообразные молекулы), то для смещения равновесия в сторону прямой реакции надо уменьшить давление; в) смещения равновесия в указанном направлении можно достигнуть как увеличением концентрации РСl5, так и уменьшением концентрации РСl3 или Сl2.


Comments