Химические реакции бывают обратимые и необратимые.
т.е. если некоторая реакция A + B = C + D необратима, это значит, что обратная реакция C + D = A + B не протекает.
т.е., например, если некая реакция A + B = C + D обратима, это значит, что одновременно протекает как реакция A + B → C + D (прямая), так и реакция С + D → A + B (обратная).
По сути, т.к. протекают как прямая, так и обратная реакции, реагентами (исходными веществами) в случае обратимых реакций могут быть названы как вещества левой части уравнения, так и вещества правой части уравнения. То же самое касается и продуктов.
Для любой обратимой реакции возможна ситуация, когда скорость прямой и обратной реакций равны. Такое состояние называют состоянием равновесия .
В состоянии равновесия концентрации как всех реагентов, так и всех продуктов неизменны. Концентрации продуктов и реагентов в состоянии равновесия называют равновесными концентрациями .
Смещение химического равновесия под действием различных факторов
Вследствие таких внешних воздействий на систему, как изменение температуры, давления или концентрации исходных веществ или продуктов, равновесие системы может быть нарушено. Однако после прекращения этого внешнего воздействия система через некоторое время перейдет в новое состояние равновесия. Такой переход системы из одного равновесного состояния в другое равновесное состояние называют смещением (сдвигом) химического равновесия .
Для того чтобы уметь определять, каким образом сдвигается химическое равновесие при том или ином типе воздействия, удобно пользоваться принципом Ле Шателье:
Если на систему в состоянии равновесия оказать какое-либо внешнее воздействие, то направление смещения химического равновесия будет совпадать с направлением той реакции, которая ослабляет эффект от оказанного воздействия.
Влияние температуры на состояние равновесия
При изменении температуры равновесие любой химической реакции смещается. Связано это с тем, что любая реакция имеет тепловой эффект. При этом тепловые эффекты прямой и обратной реакции всегда прямо противоположны. Т.е. если прямая реакция является экзотермической и протекает с тепловым эффектом, равным +Q, то обратная реакция всегда эндотермична и имеет тепловой эффект, равный –Q.
Таким образом, в соответствии с принципом Ле Шателье, если мы повысим температуру некоторой системы, находящейся в состоянии равновесия, то равновесие сместится в сторону той реакции, при протекании которой температура понижается, т.е. в сторону эндотермической реакции. И аналогично, в случае, если мы понизим температуру системы в состоянии равновесия, равновесие сместится в сторону той реакции, в результате протекания которой температура будет повышаться, т.е. в сторону экзотермической реакции.
Например, рассмотрим следующую обратимую реакцию и укажем, куда сместится ее равновесие при понижении температуры:
Как видно из уравнения выше, прямая реакция является экзотермической, т.е. в результате ее протекания выделяется тепло. Следовательно, обратная реакция будет эндотермической, то есть протекает с поглощением тепла. По условию температуру понижают, следовательно, смещение равновесия будет происходить вправо, т.е. в сторону прямой реакции.
Влияние концентрации на химическое равновесие
Повышение концентрации реагентов в соответствии с принципом Ле Шателье должно приводить к смещению равновесия в сторону той реакции, в результате которой реагенты расходуются, т.е. в сторону прямой реакции.
И наоборот, если концентрацию реагентов понижают, то равновесие будет смещаться в сторону той реакции, в результате которой реагенты образуются, т.е. сторону обратной реакции (←).
Аналогичным образом влияет и изменение концентрации продуктов реакции. Если повысить концентрацию продуктов, равновесие будет смещаться в сторону той реакции, в результате которой продукты расходуются, т.е. в сторону обратной реакции (←). Если же концентрацию продуктов, наоборот, понизить, то равновесие сместится в сторону прямой реакции (→), для того чтобы концентрация продуктов возросла.
Влияние давления на химическое равновесие
В отличие от температуры и концентрации, изменение давления оказывает влияние на состояние равновесия не каждой реакции. Для того чтобы изменение давления приводило к смещению химического равновесия, суммы коэффициентов перед газообразными веществами в левой и в правой частях уравнения должны быть разными.
Т.е. из двух реакций:
изменение давления способно повлиять на состояние равновесия только в случае второй реакции. Поскольку сумма коэффициентов перед формулами газообразных веществ в случае первого уравнения слева и справа одинаковая (равна 2), а в случае второго уравнения – различна (4 слева и 2 справа).
Отсюда, в частности, следует, что если среди и реагентов, и продуктов отсутствуют газообразные вещества, то изменение давления никак не повлияет на текущее состояние равновесия. Например, давление никак не повлияет на состояние равновесия реакции:
Если же слева и справа количество газообразных веществ различается, то повышение давления будет приводить к смещению равновесия в сторону той реакции, при протекании которой объем газов уменьшается, а понижение давления – в сторону той реакции, в результате которой объем газов увеличивается.
Влияние катализатора на химическое равновесие
Поскольку катализатор в равной мере ускоряет как прямую, так и обратную реакции, то его наличие или отсутствие никак не влияет на состояние равновесия.
Единственное, на что может повлиять катализатор, — это на скорость перехода системы из неравновесного состояния в равновесное.
Воздействие всех указанных выше факторов на химическое равновесие сведено ниже в таблицу-шпаргалку, в которую поначалу можно подглядывать при выполнении заданий на равновесия . Однако же пользоваться на экзамене ей не будет возможности, поэтому после разбора нескольких примеров с ее помощью, ее следует выучить и тренироваться решать задания на равновесия, уже не подглядывая в нее:
Обозначения: T – температура, p – давление, с – концентрация, — повышение, ↓ — понижение
|
T |
Т — равновесие смещается в сторону эндотермической реакции |
| ↓Т — равновесие смещается в сторону экзотермической реакции | |
|
p |
p — равновесие смещается в сторону реакции с меньшей суммой коэффициентов перед газообразными веществами |
| ↓p — равновесие смещается в сторону реакции с большей суммой коэффициентов перед газообразными веществами | |
|
c |
c (реагента) – равновесие смещается в сторону прямой реакции (вправо) |
| ↓c (реагента) – равновесие смещается в сторону обратной реакции (влево) | |
| c (продукта) – равновесие смещается в сторону обратной реакции (влево) | |
| ↓c (продукта) – равновесие смещается в сторону прямой реакции (вправо) | |
| На равновесие не влияет!!! |
Химическое равновесие сохраняется до тех пор, пока остаются неизменными условия, в которых система находится. Изменение условий (концентрация веществ, температура, давление) вызывает нарушение равновесия. Через некоторое время химическое равновесие восстанавливается, но уже в новых, отличных от предыдущих условиях. Такой переход системы из одного равновесного состояния в другое называется смещением (сдвигом) равновесия. Направление смещения подчиняется принципу Ле Шателье.
При увеличении концентрации одного из исходных веществ равновесие смещается в сторону большего расхода этого вещества, усиливается прямая реакция. Уменьшение концентрации исходных веществ смещает равновесие в сторону образования этих веществ, так как усиливается обратная реакция. Повышение температуры смещает равновесие в сторону эндотермической реакции, при понижении температуры – в сторону экзотермической реакции. Увеличение давления смещает равновесие в сторону уменьшения количеств газообразных веществ, то есть в сторону меньших объемов, занимаемых этими газами. Напротив, при понижении давления равновесие смещается в сторону возрастания количеств газообразных веществ, то есть в сторону больших объемов, образуемых газами.
П р и м е р 1.
Как повлияет увеличение давления на равновесное состояние следующих обратимых газовых реакций:
а) SO 2 + C1 2 =SO 2 CI 2 ;
б) Н 2 + Вr 2 =2НВr.
Решение:
Используем принцип Ле Шателье, согласно которому повышение давления в первом случае (а) смещает равновесие вправо, в сторону меньшего количества газообразных веществ, занимающих меньший объем, что ослабляет внешнее воздействие возросшего давления. Во второй реакции (б) количество газообразных веществ, как исходных, так и продуктов реакции, равны, как равны и занимаемые ими объемы, поэтому давление не оказывает влияния и равновесие не нарушается.
П р и м е р 2.
В реакции синтеза аммиака (–Q) 3Н 2 + N 2 = 2NН 3 + Q прямая реакция экзотермическая, обратная – эндотермическая. Как следует изменить концентрацию реагирующих веществ, температуру и давление для увеличения выхода аммиака?
Решение:
Для смещения равновесия вправо необходимо:
а) увеличить концентрации Н 2 и N 2 ;
б) понизить концентрацию (удаление из сферы реакции) NH 3 ;
в) понизить температуру;
г) увеличить давление.
П р и м е р 3.
Гомогенная реакция взаимодействия хлороводорода и кислорода обратима:
4НС1 + O 2 = 2С1 2 + 2Н 2 O + 116 кДж.
1. Какое влияние на равновесие системы окажут:
а) увеличение давления;
б) повышение температуры;
в) введение катализатора?
Решение:
а) В соответствии с принципом Ле Шателье повышение давления приводит к смещению равновесия в сторону прямой реакции.
б) Повышение t° приводит к смещению равновесия в сторону обратной реакции.
в) Введение катализатора не смещает равновесия.
2. В каком направлении сместится химическое равновесие, если концентрацию реагирующих веществ увеличить в 2 раза?
Решение:
υ → = k → 0 2 0 2 ; υ 0 ← = k ← 0 2 0 2
После увеличения концентраций скорость прямой реакции стала:
υ → = k → 4 = 32 k → 0 4 0
то есть возросла по сравнению с начальной скоростью в 32 раза. Аналогичным образом скорость обратной реакции возрастает в 16 раз:
υ ← = k ← 2 2 = 16k ← [Н 2 O] 0 2 [С1 2 ] 0 2 .
Увеличение скорости прямой реакции в 2 раза превышает увеличение скорости обратной реакции: равновесие смещается вправо.
П р и м е р 4.
В какую сторону сместится равновесие гомогенной реакции:
PCl 5 = РС1 3 + Сl 2 + 92 КДж,
если повысить температуру на 30 °С, зная, что температурный коэффициент прямой реакции равен 2,5, а обратной – 3,2?
Решение:
Поскольку температурные коэффициенты прямой и обратной реакций не равны, повышение температуры по-разному скажется на изменении скоростей этих реакций. Пользуясь правилом Вант-Гоффа (1.3), находим скорости прямой и обратной реакций при повышении температуры на 30 °С:
υ → (t 2) = υ → (t 1)=υ → (t 1)2,5 0,1·30 = 15,6υ → (t 1);
υ ← (t 2) = υ ← (t 1) =υ → (t 1)3,2 0,1·30 = 32,8υ ← (t 1)
Повышение температуры увеличило скорость прямой реакции в 15,6 раза, обратной – в 32,8 раза. Следовательно, равновесие сместится влево, в сторону образования РСl 5 .
П р и м е р 5.
Как изменятся скорости прямой и обратной реакций в изолированной системе С 2 Н 4 + H 2 ⇄ С 2 Н 6 и куда сместится равновесие при увеличении объема системы в 3 раза?
Решение:
Начальные скорости прямой и обратной реакций следующие:
υ 0 = k 0 0 ; υ 0 = k 0 .
Увеличение объема системы вызывает уменьшение концентраций реагирующих веществ в 3 раза, отсюда изменение скорости прямой и обратной реакций будет следующим:
υ 0 = k = 1/9υ 0
υ = k = 1/3υ 0
Понижение скоростей прямой и обратной реакций неодинаково: скорость обратной реакции в 3 раза (1/3: 1/9 = 3) превышает скорость обратной реакции, поэтому равновесие сместится влево, в сторону, где система занимает больший объем, то есть в сторону образования С 2 Н 4 и Н 2 .
В соответствии с принципом Ле Шателье, нагревание вызывает смещение равновесия в сторону того из двух встречных процессов, протекание которого сопровождается поглощением теплоты. Значит повышение температуры вызывает возрастание константы равновесия эндотермического процесса . Естественно, что понижение температуры приводит к смещению равновесия в сторону того процесса, протекание которого сопровождается выделением теплоты. Охлаждение благоприятствует экзотермическому процессу и вызывает увеличение константы его равновесия .
Изменение давления также влияет на равновесие.
При постоянной температуре константа равновесия не изменяется под действием давления. Однако относительные количества исходных веществ и продуктов под действием давления изменяются в том направлении, которое предсказывается принципом Ле Шателье. Если повысить давление при постоянной температуре, объем смеси газов уменьшается, а концентрация реагентов увеличивается. В этом случае повышение давления будет компенсироваться тем, что реакция пойдет в направлении, соответствующем уменьшению суммарного числа молей присутствующих газов (в направлении уменьшения концентрации). При уменьшении давления смещение равновесия произойдет в сторону реакции с большим числом молей.
На равновесие влияет и изменение концентрации.
В соответствии с принципом Ле Шателье введение в равновесную систему дополнительных количеств какого-либо реагента вызывает сдвиг равновесия в том направлении, при котором его концентрация уменьшается. Поэтому избыток исходного вещества (исходных веществ) вызывает смещение равновесия вправо. Добавление продукта (продуктов) реакции вызывает смещение равновесия влево.
Задача 1.
В какую сторону сместится равновесие реакции 2SO 2 (г)+O 2 (г) 2SO 3 (г); DH° <0 при повышении температуры?
Решение .
Поскольку DH°<0, теплота выделяется в ходе прямой реакции, которая является экзотермической. Обратная реакция будет эндотермической. Повышение температуры всегда способствует протеканию реакции с поглощением теплоты, т.е. равновесие сместится в сторону исходных веществ.
Ответ: влево.
Задача 2. Дана система
N 2(г) + 3H 2(г) 2NH 3(г) ; ΔН<0.
Определить, в каком направлении сместится равновесие, если:
а) в системе повысить давление; б) понизить температуру; в) увеличить концентрацию водорода.
Решение:
Константа равновесия данной реакции запишется следующим образом:
.
Если в системе повысить давление, то объем уменьшится, а концентрация реагентов возрастет. Следовательно смещение равновесия произойдет в сторону реакции, уменьшающей концентрацию. Так как в данной реакции в левой части уравнения 4 моль вещества, а в правой – 2 моль, то смещение равновесия произойдет вправо.
Реакция экзотермическая, то есть идет с выделением тепла. Если понизим температуру, то смещение равновесия произойдет вправо, в сторону экзотермической реакции.
При увеличении концентрации водорода смещение равновесия произойдет в сторону реакции, уменьшающей концентрацию водорода, в данном случае вправо.
Контрольные вопросы
61. В каком направлении произойдет смещение равновесия системы:
H 2(г) + 2S (тв) 2H 2 S (г) , ∆Н 0 <0,
если а) повысить температуру системы; б) увеличить концентрацию водорода.
62. В каком направлении сместится равновесие в системах:
а) СО(г) + Cl 2 (г) СОCl 2 (г) б.) H 2(г) + I 2(г) 2Н 2 I (г) ,
если при неизменной температуре уменьшить давление путем увеличения объема газовой смеси?
63. В каком направлении произойдет смещение равновесия системы:
С(т) + СO 2 (г) 2СО(г); ∆H 0 > 0,
если а) понизить температуру системы, б) понизить давление в системе?
64. В каком направлении произойдет смещение равновесия системы:
2SО 3 (г) 2SО 2 (г) + О 2 (г); ∆H 0 > 0
если а) повысить температуру системы, б) понизить концентрацию SO 2 ?
65. В каком направлении произойдет смещение равновесия системы:
а) температуру повысить: б) объем увеличить?
66. Как надо изменить концентрацию А 2 и температуру, чтобы сместить равновесие системы вправо?
А 2 (г) + В 2 (г) 2АВ(г) ; ∆H 0 > 0
Написать выражение константы равновесия.
67. Напишите выражение константы химического равновесия для реакции
MgCO 3 (т) MgO(т) + CO 2 (г); ∆H 0 < 0.
Какими способами можно сместить химическое равновесие этой реакции вправо?
68. При состоянии равновесия в системе:
определить, в каком направлении сместится равновесие
а) с ростом температуры; б) при уменьшении объема реакционного сосуда?
69. Как изменится скорость прямой и обратной реакции в системе:
2SO 2(г) + O 2(г) 2SO 3(г); ∆Н°< 0 ,
если уменьшить объем реактора в 2 раза? Повлияет ли это на равновесие в системе?
70. Указать, какими изменениями концентраций реагирующих веществ можно сместить вправо равновесие реакции:
С(т) + СO 2 (г) 2СО(г); ∆H 0 > 0
71. При каких условиях равновесие реакции:
будет смещаться в сторону разложения оксида?
72. Метанол получается в результате реакции:
СО(г) + 2H 2 (г) CH 3 OH (ж) ; ∆Н°< 0 .
Как будет смещаться равновесие при повышении
а) температуры, б) давления?
73. Как повлияет на выход хлора в системе:
4HCl(г) + O 2 (г) 2H 2 O(г) + 2Cl 2 ; ∆H 0 < 0,
а) повышение температуры в системе, б) уменьшение общего объема смеси,
в) уменьшение концентрации кислорода, г) увеличение общего объема реактора,
д) введение катализатора?
74. В каком направлении сместится равновесие в системах:
1) N 2 O 4 (г) 2NO 2 (г) ; ∆H 0 > 0
2)2СО(г) + O 2 (г) 2СО 2 (г); ∆H 0 < 0,
если а) понизить температуру, б) повысить давление?
75. В каком направлении сместится равновесие в системах:
1) 2СО(г) + O 2 (г) 2СО 2 (г); ∆H 0 < 0 ,
2) 2N 2 (г) + О 2 (г) 2N 2 O(г) ∆H 0 > ,0
если а) повысить температуру, б) понизить давление?
76. Как повлияет на равновесие в следующей реакции:
FeO(т) + СO(г) Fe(т) + CO 2 (г); ∆H 0 > 0,
а) повышение температуры, б) повышение давления?
77. В каком направлении произойдет смещение равновесия системы:
2N 2 O 5(г) 4NO 2(г) + 2O 2(г) ,
если а) увеличить концентрацию O 2 , б) расширить систему?
78. В каком направлении произойдет смещение равновесия системы:
3N 2 О(г) + 2NН 3 (г) 4N 2 (г) + 3Н 2 О; ∆H 0 < 0
если а) повысить температуру системы, б) понизить концентрацию N 2 ?
79. Указать, какими изменениями температуры и давления можно сместить влево равновесие реакции:
СО 2 (г) + Н 2 (г) СО(г) + Н 2 О(г) ; ∆H 0 < 0
80. В каком направлении произойдет смещение равновесия системы:
А 2(г) + 3В (г) 2С (т) + 4Д (г) ; ∆Н°< 0
если а) повысить температуру системы; б) увеличить давление?
81. Указать, как необходимо воздействовать на систему
4HCl(г) + О 2 (г) 2H 2 О(г) + 2Cl 2 (г); ∆H 0 < 0 ,
чтобы сместить равновесие влево:
а) увеличить концентрацию кислорода; б) увеличить концентрацию хлора; в) повысить давление; г) увеличить объем реакционного сосуда?
82. В каком направлении сместится равновесие в системе
4Fe (тв.) + 3O 2(г) 2Fe 2 O 3(тв) ,
при увеличении давления? Напишите выражение константы равновесия.
83. Какими воздействиями на систему
А(г) + В(г) АВ(г); ∆H 0 < 0 ,
можно увеличить равновесную концентрацию продукта реакции АВ. Напишите выражение константы равновесия.
84. Как надо изменить давление и температуру в равновесной системе
А (т) + 2В (г) С (т) ; ∆Н°< 0
чтобы сместить равновесие вправо? Напишите выражение константы равновесия.
85. В каком направлении произойдет смещение равновесия системы:
2H 2(г) + O 2(г) 2Н 2 О (г); ; ∆Н°< 0 ,
если а) повысить температуру системы; б) увеличить концентрацию водорода. Напишите выражение константы равновесия.
86. В каком направлении произойдет смещение равновесия системы:
3Fe(тв.) + 4Н 2 О(г) Fe 3 O 4 (г) + 4H 2 (г),
если: а) увеличить концентрацию водорода; б) уменьшить концентрацию паров воды?
87. В каком направлении произойдет смещение равновесия системы:
N 2 (г) + 3H 2 (г) 2NH 3 (г) ; ∆H 0 < 0
при понижении температуры? Как объяснить, что на практике синтез аммиака ведут при повышенной температуре?
88. Как надо изменить объем реакционной смеси и температуру в равновесной системе:
3О 2 (г) 2О 3 (г); ∆H 0 > 0
чтобы сместить равновесие вправо? Напишите выражение константы равновесия
89. Вычислить константу равновесия системы
N 2 (г) + 3H 2 (г) 2NH 3 (г) ; ∆H 0 < 0,
если в состоянии равновесия концентрация аммиака составляет 0,4 моль/л, азота – 0,03 моль/л, а водорода – 0,1 моль/л. Куда сместится равновесие системы при уменьшении объема реакционной смеси?
90.Определить равновесную концентрацию водорода в системе
2HI(г) H 2 (г) + I 2 (г),
если исходная концентрация HI составляла 0,05 моль/л, а константа равновесия К р = 0,02.
©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-02-16