Смещение химического равновесия. Принцип Ле Шателье
На состояние химического равновесия оказывают влияние концентрация, температура, а для газообразных веществ – давление. При изменении условий протекания реакции скорости прямой и обратной реакции изменяются неодинаково, химическое равновесие нарушается. В результате преимущественного протекания одной из реакций установится новое равновесие при новых значениях равновесных концентраций веществ. Подобный переход системы из одного состояния равновесия в другое называется смещением или сдвигом химического равновесия. Направление этого смещения определяется принципом Ле Шателье: если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, оказать какое-либо внешнее воздействие (изменить температуру, давление, концентрации веществ), то равновесие сместится в таком направлении, что оказанное воздействие будет ослаблено (преимущественно протекать будет та из противоположных реакций, которая уменьшает воздействие).
Например, если увеличить концентрацию исходных веществ, то протекать будет преимущественно прямая реакция, равновесие сместится «вправо» – в сторону образования продуктов реакции. Повышение температуры смещает равновесие в сторону эндотермической реакции, протекание которой сопровождается охлаждением системы. Повышение давления смещает равновесие в сторону уменьшения общего числа молей газообразных веществ, что приводит к понижению давления.
Пример 4. Как надо изменить концентрации, температуру, давление, чтобы сместить равновесие вправо в следующих реакциях:
а) N2 + 3H2 « 2NH3, DH = -92,4 кДж; б) N2 + O2 « 2NO, DH = +180,6 кДж.
Решение: 1. Так как DH < 0, прямая реакция идет с выделением тепла, обратная – с поглощением. Для смещения равновесия в сторону прямой реакции необходимо понизить температуру. Протекание реакции в прямом направлении сопровождается уменьшением давления (из 4 молекул газов образуется 2), поэтому для смещения равновесия вправо следует увеличить давление. Увеличение концентраций исходных веществ N2 и H2 и уменьшение концентрации NH3 также способствует протеканию прямой реакции.
2. Для смещения равновесия вправо реакции N2 + O2 « 2NO необходимо повысить температуру, увеличить концентрацию N2 и O2, уменьшить концентрацию NO. Изменение давление не вызовет смещения равновесия, так как число моль газов до реакции и после реакции одинаково.
ЗАДАЧИ
5.1. Написать выражение константы равновесия для следующих систем:
а) CO + H2O « CO2 + H2 б) 3Fe + 4H2O(г) « Fe3O4 + 4H2
в) 2NO2 « 2NO + O2 г) H2 + I2 « 2HI
5.2. При некоторой температуре равновесие в системе CO + H2O « CO2 + H2 установилось при следующих концентрациях веществ (моль/л): [CO] = 0,02; [H2O] = 0,08; [H2] = 0,01. Вычислить константу равновесия и исходные концентрации CO и H2O.
Ответ: 0,0625; 0,03 моль/л; 0,09 моль/л.
5.3. Написать выражение константы равновесия для следующих систем:
а) 2NO + Cl2 « 2NOCl, DH = -73,6 кДж;
б) 3O2 « 2O3, DH = +184,6 кДж.
В каком направлении будет смещаться равновесие: а) при увеличении температуры; б) уменьшении давления?
5.4. При некоторой температуре в системе СО2 + 4Н2 « СН4 + 2Н2О(г), DH = -165 кДж установилось равновесие. Написать выражение Кр. Как следует изменить температуру, давление, концентрации веществ, чтобы увеличить выход метана?
5.5. Как следует изменить давление, чтобы сместить равновесие в сторону образования продуктов в следующих реакциях:
а) 2СО + О2 « 2СО2 б) MgCO3 « MgO + CO2
в) 2СО + 2Н2 « СН4 + CO2
Написать выражение Кр для каждой реакции.
5.6. Исходные концентрации NO и Cl2 были равны и составляли 1 моль/л. Равновесие в системе 2NO + Cl2 « 2NOCl установилось, когда прореагировало 10 % NO. Вычислить константу равновесия.
Ответ: 1,3∙10-2.
5.7. Написать выражение константы равновесия для следующих систем:
а) 2SО2 + О2 « 2SО3 б) СО + 3Н2 « СН4 + Н2O
в) 4NH3 + 5O2 « 4NO + 6Н2O г) WO3 + 3Н2 « W + 3Н2O
5.8. При некоторой температуре в системе CaCO3 « CaO + CO2, DH = +179 кДж установилось равновесие. Как следует изменить температуру, давление, концентрацию СO2, чтобы сместить равновесие в сторону образования оксида кальция?
5.9. Как следует изменить температуру, чтобы сместить равновесие вправо в следующих системах:
а) 2НBr « Н2 + Br2, DH = +72,5 кДж;
б) Н2 + S « Н2S, DH = -169,4 кДж;
в) FeO + CO « Fe + CO2, DH = -18,2 кДж.
Написать выражение Кр для каждой реакции.
5.10. Константа равновесия системы H2 + I2 « 2HI при некоторой температуре равна 0,64. Вычислить равновесные концентрации всех веществ, если исходные концентрации H2 и I2 были равны и составляли 1 моль/л.
Ответ: [HI] = 0,572 моль/л; [H2] = [I2] = 0,714 моль/л.
5.11. Написать выражение константы равновесия для следующих систем:
а) COCl2 « CO + Cl2, DH = +112,5 кДж;
б) 2CO + O2 « CO2, DH = -566 кДж.
В каком направлении будет смещаться равновесие при:
а) уменьшении температуры; б) увеличении давления?
5.12. В обратимой реакции: A(тв) + 3B(г) « 2C(г), DH < 0 установилось химическое равновесие. Написать выражение Кр и определить, куда сместится равновесие: а) если уменьшить концентрацию C; б) увеличить концентрацию В; в) увеличить температуру; г) увеличить давление.
5.13. Вычислить, сколько процентов N2O4 разлагается по реакции N2O4 « 2NO2, если константа равновесия равна 2,5∙10-2, а исходная концентрация N2O4 составляет 1 моль/л.
Ответ: 7,6 %.
5.14. Написать выражение константы равновесия для следующих систем:
а) N2 + O2 « 2NO б) Fe2O3 + 3H2 « 2Fe + 3H2O
в) C + CO2 « 2CO г) 4HCl + O2 « 2Cl2 + 2H2O
5.15. Определить концентрации всех веществ в состоянии равновесия системы CO + H2O « CO2 + H2, если исходные концентрации СО и Н2 составляли соответственно 0,16 и 0,22 моль/л, а константа равновесия равна 1.
Ответ: [СО] = 0,067 моль/л; [H2О] = 0,127 моль/л; [СО2] = [Н2] = 0,093 моль/л.
5.16. Написать выражение константы равновесия для следующих систем:
а) 2H2O « 2H2 + O2, DH = +483,7 кДж;
б) 2SО2 + О2 « 2SО3, DH = -196,6 кДж.
В каком направлении будет смещаться равновесие при: а) увеличении температуры; б) увеличении давления?
5.17. При некоторой температуре в гомогенной газовой системе PCl5 « PCl3 + Cl2, DH = +92,59 кДж установилось равновесие. Как следует изменить температуру, давление, концентрации веществ, чтобы сместить равновесие в сторону прямой реакции?
5.18. В состоянии равновесия системы 3H2 + N2 « 2NH3 концентрации веществ составляют (моль/л): [NH3] = 1; [N2] = 0,5; [H2] = 3,5. Вычислить константу равновесия и исходные концентрации азота и водорода.
Ответ: 4,7∙10-2; 1 моль/л; 5 моль/л).
5.19. Написать выражение константы равновесия для следующих систем:
а) CO + H2O « H2 + CO2, DH = -41,2 кДж;
б) СО + 2Н2О « СН3ОН, DH = +193,3 кДж.
В каком направлении будет смещаться равновесие при: а) уменьшении температуры; б) уменьшении давления?
5.20. Обратимая гомогенная реакция протекает по уравнению 2A + B « 3C + D. Исходные концентрации веществ А и В составляли соответственно 3 и 2 моль/л. Равновесная концентрация С равна 1,5 моль/л. Вычислить константу равновесия.
Ответ: 0,2875.
5.21. Сколько моль HI образуется в системе H2 + I2 « 2HI из 2 моль I2 и 2 моль H2, если константа равновесия системы равна 4?
Ответ: 2 моль.
5.22. Как следует изменить температуру, чтобы сместить равновесие влево в следующих системах:
а) C + CO2 « 2CO2, DH = +172,5 кДж;
б) 2C + 3H2 « C2H6, DH = -85,6 кДж;
в) CO + H2O « CO2 + H2, DH = -41,2 кДж.
Написать выражение Кр для каждой реакции.
5.23. При некоторой температуре в системе 2SО2 + О2 « 2SО3, DH = -196,6 кДж установилось равновесие. Написать выражение Кр. Как следует изменить температуру, давление, концентрации веществ, чтобы увеличить выход SО3?
5.24. При некоторой температуре из 1 моль SO3, находящегося в закрытом сосуде емкостью 5 л, разлагается 0,5 моль: 2SО3 « 2SО2 + О2. Вычислить константу равновесия.
Ответ: 5∙10-2.
5.25. В гомогенной газовой реакции 3A + 2B « 2C + D, DH > 0 установилось химическое равновесие. Написать выражение Кр и определить, куда сместится равновесие: а) если увеличить концентрацию А; б) уменьшить концентрацию В; в) увеличить температуру; г) уменьшить давление.
5.26. Исходные концентрации SO2 и O2 в системе: 2SО2 + О2 « 2SО3 составляли 5 и 2 моль/л соответственно. К моменту наступления равновесия прореагировало 50 % SO2. Рассчитать равновесную концентрацию SO3 и константу равновесия.
Ответ: 2,5 моль/л; 1,33.
5.27. Как следует изменить давление, чтобы сместить равновесие влево следующих обратимых процессов:
а) CH4 + H2O « CO + 3H2 б) 2NH3 « N2 + 3H2
в) CO2 + C « 2CO?
Написать выражение Кр для каждой реакции.
5.28. При некоторой температуре в гомогенной газовой системе 2NO + O2 « 2NO2, DH = -113 кДж установилось равновесие. Как следует изменить температуру, давление, концентрации веществ, чтобы увеличить выход NO2?
5.29. Вычислить константу равновесия и исходные концентрации веществ в системе CO + Cl2 « COCl2, если равновесие установилось при следующих концентрациях веществ (моль/л): [CO] = 0,25; [Cl2] = 0,3; [COCl2] = 0,1.
Ответ: 1,33; 0,35 моль/л; 0,4 моль/л.
5.30. Рассчитать равновесную концентрацию оксида углерода (II) в реакции COCl2 « CO + Cl2, если исходная концентрация COCl2 равна 0,04 моль/л, а константа равновесия равна 0,01.
Ответ: 0,0156 моль/л.