2.2.3. Химическое равновесие. Константа равновесия

В некоторых системах возможны противоположно направленные реакции (обратимые системы):

aA + bB ↔ cC + dD.

В таких системах возможно установление химического равновесия. Это значит, что скорость прямой и обратной реакций выравниваются. Признаком такого состояния системы служит постоянство всех ее свойств во времени, обусловленное постоянством концентраций всех ее компонентов.

Кинетическое уравнение обратимой реакции должно включать в себе уравнения, описывающие скорость как прямой, так и обратной реакции.

Состояние равновесия характеризуется константой равновесия ( ):

,

где – равновесные концентрации веществ в системе.

Кроме равновесных концентраций для обратимых реакций различают начальные концентрации веществ ( ), а также – израсходованное (прореагировавшее) количество вещества в единицах концентрации. Это то количество вещества из единицы объема, которое расходуется на образование продуктов.

Соотношение между этими концентрациями можно выразить следующим образом:

.

4. Смещение химического равновесия. Принцип Ле Шателье

Принцип Ле Шателье определяет, какой процесс (прямой или обратный) будет протекать с большей скоростью при изменениях температуры, концентрации, давления или объема системы.

• При повышении температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, а при понижении – в сторону экзотермической реакции.

• При повышении давления (уменьшении объема) равновесие смещается – в сторону образования меньшего числа молекул газообразных веществ и наоборот.

• При увеличении концентрации любого из веществ равновесие смещается в сторону расхода этого вещества, при уменьшении концентрации – наоборот, в сторону образования вещества.

4. Примеры решения задач

Задача № 1. Некоторое количество диоксида азота (NO₂) подверглось разложению до монооксида азота (NO) и кислорода. Равновесие в системе 2NO₂ 2NO + O₂ установилось при следующих концентрациях: [NO₂] = 0,6 , [NO] = 0,24 . Найти константу равновесия и исходную концентрацию NO₂.

Решение:

Выражение константы равновесия для данной системы

По условию задачи: = 0,6 и = 0,24 . Найдем и из соотношения

: : = 2 : 2 : 1

0,24 : 0,24 : 0,12 = 2 : 2 : 1 (по коэффициентам в уравнении реакции)

Получаем = 0,24 , = 0,12 .

Подставляем = 0,12 в выражение константы равновесия

Исходная концентрация NO₂

= +

= 0,24 + 0,6 = 0,84

Ответ: = 0,0192, = 0,84 .

Задача №2. Константа скорости реакции равна 0,8. Начальные концентрации веществ А и В равны соответственно 3,5 и 1,9 . В результате реакции концентрация вещества В составила 0,5 . Какой стала концентрация вещества А и чему равна скорость данной реакции?

Решение:

Зависимость скорости реакции от концентрации определяется законом действия масс:

.

Чтобы определить скорость реакции, когда [B] = 0,5 , надо знать концентрацию вещества А в этот момент времени. Константа скорости k = 0,8.

Т. к. вещества В было 1,9 до реакции, а после реакции осталось 0,5 , то израсходовалось на образование продуктов реакции (вещество С)

1,9 – 0,5 = 1,4 .

Реакция идет в следующем соотношении:

из двух молей вещества А и 1 моля вещества В образуется 1 моль вещества С. Другими словами из 2 · х вещества А и х вещества В образуется х вещества С, поэтому, зная, что прореагировало вещества B = 1,4 = х, можно найти сколько прореагировало вещества А, 2х = 2,8 . Тогда концентрация вещества А станет 3,5 – 2,8 = 0,7 .

Концентрация в-в, моль/л Состояние	А	В	С
Исходное	3,5	1,9	-
Прореагировало веществ	2х = 2,8	х = 1,4	-
Конечное	0,7	0,5	х = 1,4

= 0,8 · 0,7² · 0,5 = 0,196

Ответ: [А] = 0,7 , = 0,196.

Задача № 3. Укажите все пути, которыми можно повысить выход аммиака по уравнению кДж

Решение:

Для повышения выхода аммиака (NH₃) надо сместить равновесие в прямом направлении. На смещение химического равновесия влияют три фактора: