Как правильно рассчитывать равновесные концентрации веществ. Смещение равновесия реакции

 


Задача 249.
Для предложенной обратимой реакции напишите математическое выражение константы химического равновесия и укажите направление смещения равновесия при изменении условий:
а) уменьшении концентрации одного из газообразных продуктов;
б) понижении давления в системе;
в) повышении температуры в системе.
2(г) + О2(г) ⇔  2Н2O(г); ∆Hx.p. = -484кДж.
Решение:
Кр можно выразить через соотношение констант прямой и обратной реакций, получим:

Кр  =  [Н2О]/[Н2]2 . [O2].

а) Понижение концентрации продукта реакции (отведение из системы Н2О) будет увеличивать скорость прямой реакции, поэтому согласно принципа Ле-Шателье при понижениии концентрации Н2О равновесие сместится в сторону прямой реакции, т. е. в сторону увеличения образования Н2О.
б) При понижении давления смещение равновесия будет наблюдаться в сторону прямой реакции, так как объм газообразного реагента в полтора раза больше объема продукта реакции системы:

2V(Н2) + 1VO2  >  2V(H2O).

в) При повышении температуры равновесие сместится в сторону обратной реакции, так как прямая реакция – экзотермическая (∆Hx.p. = -484кДж). Согласно принципу Ле-Шателье равновесие реакции смещается в сторону уменьшения оказываемого на систему действия. Данная реакция протекает с выделением тепла (∆H < 0), то, естественно, что при повышении температуры равновесие экзотермической реакции сместится в сторону уменьшения тепловой энергии реакции, т.е. в сторону обратной реакции.

 


Задача 250.
Дано уравнение реакции: N2 + 3H2 = 2NH3
1) Укажите в какую сторону сместится равновесие системы. 2) Напишите выражение константы равновесия данной системы. 
Решение:
1. При воздействии на систему равновесие смещается в сторону уменьшения этого воздействия. Так в системе :
N2 + 3H2 = 2NH3 из 4 объемов газообразных исходных веществ образуется 2 объема газообразного продукта, значит, при обычных условиях система протекает с уменьшением объема в 2 раза [4V(исх.в-ва)/2V(пр.) = 2]. Поэтому при повышении давления равновесие системы сместится в сторну прямой реакции, т.е. в сторону уменьшения воздействия на систему (уменьшения объема), на образование NH3, а при уменьшении давления - равновесие сместится в сторону увеличения воздействия на систему (увеличение объема), в сторону образовани исходных продуктов реакции (N2 и H2).

2. Выражение константы равновесия системы: N2 + 3H2 = 2NH3 будет иметь вид:

[NH3]2/[N2].[H2]3.

Отсюда находим константу равновесия реакции, получим:

Кр = [NH3]2/[N2].[H2]3 = (4)2/3 . (9)3 = 16/2187 = 0,0073 или 7,3 10-3.

 


Задача 251.
Константа равновесия реакции А  +  В  = С  +  D равна 1. Начальная конццентрация [А] = 0,01 моль/л, [В ]= 0,1 моль/л. Какая доля  (в %) исходного количества вещества А подвергнется превращению при равновесии? Каковы равновесные концентрации веществ?
Решение:  
Уравнение реакции имеет вид:

А  +  В  = С  +  D

Из уравнения следует, что из 1 моля А и 1 моля В образуется по 1 молю С и D т.е. по 0,01 молю С и D.
Обозначим равновесную концентрацию С и D через  х, тогда [С] = [D].
Таким образом, равновесные концентрации A и B будут составлять, соответственно, (0,01 – х) и (0,1 – х) моль/л, а С и D – по х моль/л. Подставим эти значения в выражение константы равновесия реакции:

К = [C][D]/[A][B];
1 = (х . х)/[(0,01 – х)(0,1 – х)];
x2 = 0,001 - 0,1x - 0,01x - x2;
0,001 = 0,11x;
x = 0,0091.

Отсюда равновесные концентрации (моль/л): 

[C]p = [D]p = х = 0,0091 моль/л;
[A]p = 0,01 – х = 0,01 – 0,0091 = 0,0009 моль/л;
[B]p = 0,1 – х = 0,1 – 0,0091 = 0,0909 моль/л.

Значит, 91% вещества А подвергнется превращению при равновесии.

0,01    ---   100%
0,0091 ---  х
х = (0,0091 . 100%)/0,01 = 91%.

 


Задача 252.
В какую сторону сместится равновесие системы - PCl5(г) = PCl2(г) + Cl2(г), Н > 0:
а) при увеличении температуры;
б) при увеличении давления;
в) при увеличении концентрации хлора?
Решение:
а) прямая реакция эндотермическая (с поглощением тепла). Чтобы компенсировать увеличение температуры - должна пойти реакция с поглощением тепла. Смещение в сторону образования продуктов.

б) При увеличении давления равновесие смещается в сторону меньших газов, при уменьшении давления - в сторону больших газов.
Прямая реакция идет с увеличением числа молей газообразных веществ (увеличение давления). Обратная реакция с понижением давления. При увеличении давления пойдет реакция, уменьшающая его (обратная). Равновесие сместится влево.

в) При вводе в систему продукта реакции пойдет реакция, способствующая его расходу. Это обратная реакция. Равновесие сместится влево.
 


Задача 253.
При нагревании смеси углекислого газа и водорода образуется угарный газ и вода, а также устанавливаетася равновесие. При температуре 1123 К и константе скорости Кр = 1. Сколько молей углекислого газа необходимо на 1 моль водорода, чтобы 70% его превратилось в воду.
Решение:
Уравнение реакции имеет вид:

СО2(г.) + Н2(г.) ⇔ СО(г.) + +Н2О(г.).

Из уравнения следует, что из 1 моля СО2 и 1 моля Н2 образуется по 1 молю СО и Н2О. 
Находим количество Н2, которое вступило в реакцию: 1 . 0,7 = 0,7 моль/л. Остаток количества СО2 и Н2 одинаков и будет составлять 0,3 моль/л (1 – 0,7 = 0,3). Следовательно, из взятых веществ остаются непрореагировавшими 0,3 моля углекислого газа и 0,3 моля водорода:
Первоначальные количества реагирующих веществ (в молях)…. 1(СО2) : 1(Н2) = 0(СО) : 0(Н2О).
Количества веществ по достижении предела реакции 1123 К (в  молях)…. 0,3(СО2) : 0,3(Н2) = 0,7(СО) :  0,7(Н2О) 
Значит, причиной «остановки» разбираемой нами реакции является наличие обратной реакции. 
После смешения углекислого газа с водородом между ними начинается взаимодействие, в результате которого образуются молекулы окиси углерода и воды. По мере течения этой реакции концентрации взятых веществ уменьшаются и скорость реакции становится все меньше и меньше. В то же время возникает возможность обратной реакции. Молекулы окиси углерода и воды, сталкиваясь между собой, могут снова превращаться в молекулы углекислого газа и водорода. Вначале, пока молекул окиси углерода и воды еще мало, их столкновения происходят довольно редко. Однако по мере накопления молекул этих веществ столкновения становятся все чаще, в результате чего скорость обратной реакции постепенно увеличивается. Наконец, наступает момент, когда скорости прямой и обратной реакций уравниваются, т. е. в каждую единицу времени исчезает столько же молекул углекислого газа и водорода, сколько их появляется вновь вследствие обратной реакции. С этого момента концентрации всех четырех газов перестают изменяться, несмотря на то, что первоначально взятые углекислый газ и водород целиком не прореагировали.
Таким образом, при температуре 1123 К в данной системе наступает равновесие когда на 1 моль водорода и на 1 моль углекислого газа прореагируют по о,7 моль этих веществ и образуется такое же количество угарного газа и воды, и в системе наступит равновесие при концентрациях веществ (в молях)…. 

0,3(СО2) : 0,3(Н2) = 0,7(СО) :  0,7(Н2О).

Ответ: СО2 = 0,7 моль.

Тогда объёмные соотношения СО2 и Н2, к моменту наступления равновесия, составляют:

V(H2) : V(CO2) = 0,7 : 0,3 = 2,33 : 1. Значит, на 1 моль водорода необходимо 0,43 моль СО2 (1/2,33 = 0,429).