Как повлияет на равновесие реакции

2SO₂+O₂⇄ 2SO₃; DH= - 172,38 кДж

а) увеличение концентрации SO₂,

б) повышение давления в системе,

в) охлаждение системы,

г) введение в систему катализатора?

Решение

В соответствии с принципом Ле Шателье при увеличении концентрации SO₂ равновесие сместится в сторону процесса, приводящего к расходованию SO₂, то есть в сторону прямой реакции образования SO₃.

Реакция идет с изменением числа моль газообразных веществ, поэтому изменение давления приведет к смещению равновесия. При повышении давления равновесие сместится в сторону процесса, противодействующего данному изменению, то есть идущего с уменьшением числа моль газообразных веществ, а, следовательно, и с уменьшением давления. В соответствии с уравнением реакции, число моль газообразных исходных веществ равно трем, а число моль продуктов прямой реакции равно двум. Поэтому при повышении давления равновесие сместится в сторону прямой реакции образования SO₃.

Так как DН< 0, то прямая реакция идет с выделением тепла (экзотермическая реакция). Обратная реакция будет протекать с поглощением тепла (эндотермическая реакция). В соответствии с принципом Ле Шателье, охлаждение вызовет смещение равновесия в сторону реакции, идущей с выделением тепла, то есть в сторону прямой реакции.

Введение в систему катализатора не вызывает смещения химического равновесия.

Пример 2

Вычислить константу равновесия реакции

FeO_(к)+H_2(г) ⇄ Fe_(к)+H₂O_(г)

при 25⁰С. В какую сторону смещено равновесие? Определить температуру установления равновесия, если все вещества находятся в стандартных состояниях, а зависимостью DH⁰ и DS⁰ от температуры можно пренебречь.

Решение

Константа равновесия связана с изменением стандартной энергии Гиббса реакции уравнением

,

.

Воспользовавшись справочными значениями стандартных энергий Гиббса образования веществ, найдем DG⁰_р-ции:

DG⁰_р-ции=DG⁰(H₂O_(г))+ DG⁰(Fe_(к))- DG⁰(FeO_(к))- DG⁰(H_2(г))=

= - 228,61 (кДж/моль) + 0 – (-244,3 (кДж/моль)) – 0 = 15,59 кДж = 15,59 × 10³ Дж

К= =0,0018

Константа равновесия меньше единицы, следовательно, равновесие при 25⁰С (298 К) смещено в сторону обратной реакции.

В состоянии равновесия DG⁰= 0. Так как DG⁰= DН⁰ - TDS⁰, то равновесие установится при температуре T=DН⁰ / DS⁰.

Воспользовавшись справочными значениями стандартных энтальпий образования веществ и их стандартных энтропий, вычислим значения DН⁰_р-ции и DS⁰_р-ции:

DН⁰_р-ции=DН⁰(Н₂О_(г)) +DН⁰(Fe_(к)) - DН⁰(FeO_(к)) - DН⁰(Н_2(г)) =

= - 241,82 (кДж/моль) + 0 – (- 263,7 (кДж/моль)) – 0 = 21,88 кДж.

DS⁰_р-ции=S⁰(Н₂О_(г)) + S⁰(Fe_(к)) - S⁰(FeO_(к)) - S⁰(Н_2(г)) =

=0,1887( кДж/моль× К) + 0,02715( кДж/моль× К) – 0,05879 (кДж/моль× К) –

- 0,13058 (кДж/моль× К) = 0,02648 кДж/К.

Найдем значение температуры, при которой установится равновесие:

Т = 21,88( кДж) : 0,02648( кДж/К) = 826 К.

Пример 3

При температуре 973 К константа равновесия реакции

NiO + H₂⇄ Ni + H₂O_(г)

равна 0,32. Рассчитать равновесные концентрации веществ газовой смеси, если начальная концентрация водорода равна 3 моль/л.

Решение

Считаем, что начальная концентрация паров воды равнялась нулю. Выражение для константы равновесия данной гетерогенной реакции имеет следующий вид:

К_С=[Н₂О] / [Н₂].

Пусть к моменту равновесия концентрация паров воды стала равна х моль/л. Тогда в соответствии со стехиометрией реакции, концентрация водорода уменьшилась на х моль/л  и стала равной (3 – х) моль/л.

Подставим равновесные концентрации в выражение для константы равновесия:

К_С=х / (3 – х);           х / (3 – х)=0,32;         х=0,73 моль/л.

Итак, равновесная концентрация паров воды равна 0,73 моль/л, равновесная концентрация водорода равна 3 – 0,73 = 2,27 моль/л.

6.4 Требования к уровню подготовки студентов

˗ Знать понятия: химическое равновесие, константа химического равновесия.

˗ Знать признаки химического равновесия, взаимосвязь между константой равновесия и энергией Гиббса, принцип Ле Шателье, как влияют изменения концентрации реагентов, температуры, давления на состояние равновесия.

˗ Уметь записывать выражение для константы равновесия гомогенной и гетерогенной реакции, вычислять значение константы равновесия по значениям равновесных концентраций реагентов, определять направление смещения химического равновесия, используя принцип Ле Шателье, вычислять значение DG⁰ по значению константы равновесия и наоборот, оценивать по величинам DG⁰ и К глубину протекания процесса в данном направлении, рассчитывать температуру равновесного состояния системы по уравнению DG= DН - TDS.

6.5 Задания для самоконтроля

6.5.1 Записать выражения для констант равновесия следующих реакций:

CaCO₃⇄ CaO + CO₂

FeO + H₂⇄ Fe + H₂O_(пар)

BaSO_4(кр.) ⇄  Ba²⁺_(р-р) + SO₄^2-_(р-р)

N₂ + 3 H₂⇄ 2 NH₃

6.5.2 Вычислите константу равновесия реакции

N₂ + 3 H₂⇄ 2 NH₃

при 25⁰С, если стандартная энергия Гиббса образования аммиака при этой температуре  - 16,71 кДж/моль. В какую сторону смещено равновесие?

6.5.3 Определить температуру, при которой установится равновесие реакции из предыдущего задания, принимая, что все газы находятся в стандартных состояниях, а зависимостью DH⁰ и DS⁰ от температуры можно пренебречь. При решении задачи воспользоваться справочником физико-химических величин.

6.5.4 Равновесие реакции

                                                 H₂ + I₂⇄ 2 HI

установилось при концентрациях водорода, йода и йодоводорода, равных 0,3; 0,08; 0,35 моль/л соответственно. Определить исходные концентрации йода и водорода.

6.5.5 В какую сторону сместятся равновесия реакций:

2N₂ + O₂⇄ 2N₂O;          DН=56,90 кДж

2CO + O₂⇄ 2CO₂;                DН= - 568,48 кДж

2НBr⇄H₂ + Br₂;            DН= 59,83 кДж

а) при понижении температуры,

б) при повышении давления,

в) при введении в реакционную смесь дополнительных количеств одного из продуктов реакции?

6.5.6 В каком направлении сместится равновесие обратимой реакции

CO + H₂O ⇄ CO₂ + H₂ + Q

при понижении температуры?

а) в сторону продуктов реакции;

б) в сторону реакции, приводящей к уменьшению концентрации водорода;

в) в сторону исходный веществ;

г) температура не влияет на равновесие.

6.5.7 Какова сумма показателей степеней в числителе выражения для константы равновесия реакции

4HCl + O₂ ⇄ 2H₂O _(г) + 2Cl₂ ?

а) 5;       б) 2;       в) 3;       г) 4

6.5.8 В каком направлении сместится равновесие обратимой реакции

PCl₅ ⇄ PCl₃ + Cl₂

при увеличении концентрации хлора?

а) равновесие не сместится;

б) влево;

в) в сторону реакции разложения;

г) вправо.

6.6 Список рекомендуемой литературы

6.6.1 Коровин Н.В. Общая химия: Учебник для технических направ. и спец. вузов. – М.: Высш. шк., 2009. – 557 с.

6.6.2 Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов/ Под ред. А.И.Ермакова. – М.: Интеграл-Пресс, 2010. – 728 с.

6.6.3 Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии: Учебное пособие для вузов/ Под ред. В.А.Рабиновича и Х.М.Рубиной. – М.: Интеграл-Пресс, 2008. 240 с.

Лабораторная работа №7