IV. Химическое равновесие

Вопросы химического равновесия могут быть рассмотрены только для обратимых реакций. Подавляющее большинство химических реакций – обратимые, т.е. начиная протекать в одном направлении, затем идут в обоих направлениях (за счет взаимодействия, как исходных веществ, так и продуктов реакции). Через некоторое время скорость прямой реакции становится равной скорости обратной реакции, в этом случае говорят, что установилось состояние химического равновесия. Каждое химическое равновесие характеризуется константой равновесия (К). Рассмотрим обратимую реакцию в общем виде:

a A + bB ⇄ dD + eE

тогда

где, [A], [B], [D], [E] – равновесные концентрации веществ, моль/л;

k₁, k₂ – константы скорости прямой и обратной реакции, соответственно.

ЗАДАЧА 4.1.

В гомогенной системе (при постоянном объеме и температуре) протекает реакция

N₂ + 3H₂  2NH₃ до наступления равновесия. Исходные концентрации реагирующих веществ: _c(N₂) = 56 г/л, _с(H₂) = 12 г/л. Известно, что к моменту наступления равновесия прореагировало 10 % азота от исходного количества. Рассчитать равновесные концентрации всех компонентов системы и значение константы равновесия.

Д ано:

_c(N₂) = 56 г/л

_с(H₂) = 12 г/л

п рореагировало 10 % N₂

[N₂], [H₂], [NH₃] – ?

K – ?

РЕШЕНИЕ:

а) Массовые концентрации пересчитываем в молярные, как наиболее удобные для количественных расчетов (поскольку при решении задач, как правило, используется молярное соотношение взаимодействующих веществ).

С = _c/М, где С – молярная концентрация; _c – массовая концентрация;

М – молярная масса.

C(N₂)_исх = 56/28 = 2 моль/л; C(H₂)_исх = 12/2 = 6 моль/л.

б) Решение задачи удобно оформить в виде таблицы под уравнением реакции (см. пункт г)

Первая строка таблицы – молярное соотношение всех участников реакции, равное отношению стехиометрических коэффициентов.

Вторая строка таблицы – исходные молярные концентрации взаимодействующих веществ. Эти данные известны по условию задачи.

в) Третья строка таблицы показывает количество прореагировавших исходных веществ и количество образовавшихся продуктов. Из условия задачи известно, что в ходе реакции прореагировало 10% азота. Следовательно, прореагировало азота 0,2 моль/л. Поскольку объем системы постоянный, следовательно концентрации других участников реакции изменятся в соответствии с молярными отношениями. Тогда водорода прореагировало в 3 раза больше, чем азота, т.е 0,6 моль/л, а аммиака образовалось в 2 раза больше, чем прореагировало азота, т.е. 0,4 моль/л.

г) Четвертая строка показывает равновесные концентрации всех участников реакции.

То есть, к моменту наступления равновесия концентрации веществ будут равны:

[N₂] = 2 – 0,2 = 1,8 моль/л, [H₂] = 6 – 0,6 = 5,4 моль/л, [NH₃] = 0 + 0,4 = 0,4 моль/л.

N2	+	3H2	=	2NH3
1	:	3	:	2	- молярное отношение
2		6		–	- исходные молярные концентрации, моль/л
0,2		0,6		0,4	- изменение концентраций в ходе реакции, моль/л
1,8		5,4		0,4	-равновесные молярные концентрации, моль/л

д) Расчет константы равновесия:

Ответ. [N₂] = 1,8 моль/л; [H₂] = 5,4 моль/л; [NH₃] = 0,4 моль/л; К = 5,610^-4.

ЗАДАЧА 4.2.

Равновесие реакции синтеза фосгена Cl₂ + CO = COCl₂, установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ: [Cl₂] = 0,5 моль/л, [CO] = 0,7 моль/л, [COCl₂] = 0,5 моль/л. Рассчитать константу равновесия реакции и концентрации исходных веществ в начальный момент.

Дано:

[Cl₂] = 0,5 моль/л

[CO] = 0,7 моль/л

[ COCl₂] = 0,5 моль/л

К – ?

С(Сl₂), С(СО) – ?

РЕШЕНИЕ:

а) Решение задачи удобно оформить в виде таблицы под уравнением реакции (см. пункт г)

Общий вид таблицы такой же, как и в предыдущей задаче, но по условию задачи даны другие данные. Поэтому таблицу в данном случае нужно заполнять в следующем порядке.

б) По условию известны равновесные концентрации всех участников реакции, следовательно можно заполнить четвертую строку таблицы.

в) В начальный момент фосген в системе отсутствовал, следовательно весь фосген, который находится в равновесии образовался в ходе реакции, т.е. его образовалось 0,5 моль/л. Из молярного отношения реагирующих веществ (первая строка) следует, что Cl₂ и СО прореагировало столько же, сколько образовалось фосгена, т.е. по 0,5 моль/л. Заносим эти значения в таблицу в третью строку.

г) Рассчитываем исходные концентрации С_исх. = С_равн. + С_{прореаг.}

С(Сl₂) = 0,5 + 0,5 = 1,0 моль/л и С(СО) = 0,7 + 0,5 = 1,2 моль/л.

Таким образом, заполнена вторая строка таблицы.

Cl2	+	CO	=	COCl2
1	:	1	:	1	- молярное отношение
1,0		1,2		0	- исходные молярные концентрации, моль/л
0,5		0,5		0,5	- изменение концентраций в ходе реакции, моль/л
0,5		0,7		0,5	-равновесные молярные концентрации, моль/л

д) Расчет константы равновесия:

Ответ. С(Сl₂) = 1,0 моль/л; С(СО) = 1,2 моль/л; К = 1,43.

ЗАДАЧА 4.3.

В сосуд вместимостью 10 л поместили 44 г СО₂ и 10 г Н₂. Реакция протекает при определенной температуре до наступления равновесия. Константа равновесия равна 1. Рассчитать равновесные концентрации всех компонентов системы.

Д ано:

V_c = 10 л

m (СО₂) = 44 г

m (Н₂) = 10 г

К = 1

[CO₂], [H₂], [СО], [H₂O] – ?

РЕШЕНИЕ:

а) Рассчитываем молярные концентрации исходных веществ:

C= /V= m/(MV).

C(CO₂) = 44/(4410) = 0,1 моль/л; C(H₂) = 10/(210) = 0,5 моль/л.

б) Составляем таблицу под уравнением реакции:

Первая строка – молярное соотношение, равное отношению стехиометрических коэффициентов. Вторая строка – исходные молярные концентрации, заданы по условию. Поскольку других данных о количествах участников реакции нет, то за х примем, например, количество прореагировавшего углекислого газа СО₂. Тогда, используя молярное соотношение взаимодействующих веществ, получим, что водорода прореагировало х моль/л, а СО и Н₂О образовалось по х моль/л (третья строка). Следовательно, теперь можно выразить равновесные концентрации всех участников реакции (четвертая строка).

CO2	+	H2	=	CO	+	H2Oпар
1	:	1	:	1	:	1	- молярное отношение
0,1		0,5		–		–	- исходные молярные концентрации, моль/л
x		x		x		x	- изменение концентраций, моль/л
0,1-х		0,5-х		0+х		0+х	- равновесные молярные концентрации, моль/л

в) Величину х рассчитываем из константы равновесия:

 х = 0,083.

г) Таким образом, к моменту наступления равновесия концентрации веществ будут равны:

[CO₂] = 0,1 – 0,083 = 0,017 моль/л, [H₂] = 0,5 – 0,083 = 0,417 моль/л, [СО] = [H₂O] = 0,083 моль/л.

Ответ. [CO₂] = 0,017 моль/л, [H₂] = 0,417 моль/л, [СО] = [H₂O] = 0,083 моль/л.