Химическое равновесие

Химическим равновесием называется состояние системы, при котором скорость образования продуктов реакции (скорость прямой реакции) равна скорости их превращения в исходные реагенты (скорость обратной реакции). Таким образом, химическое равновесие—это равновесие динамическое, при котором происходит непрерывное образование и разложение веществ. Концентрации реагентов при установившемся равновесии называются равновесными и обозначают [ ].

В общем случае для гомогенной реакции вида

аА_(г) + вВ_(г) ↔ дД _(г)+ еЕ_(г)

константа равновесия выражается равенством

Кс = [Д]^д [Е]^е / [А]^а [В]^в. ( 1 )

В выражение константы равновесия гетерогенной реакции, входят только концентрации веществ, находящихся в жидкой или газообразной фазе, так как концентрации твердых веществ остаются постоянными. Площадь поверхности также не влияет на значение константы равновесия в гетерогенном процессе, потому что и прямая, и обратная реакции протекают на одной площади поверхности.

В общем случае для гетерогенного процесса

аА_(г) + вВ_(тв) = еЕ_(г) + дД_(г)

константа равновесия выражается равенством

Кс = [Е]^е [Д]^д / [А]^а (2)

Связь между исходными и равновесными концентрациями реагентов и продуктов реакции показана в таблице:

Исходная концентрация реагентов	СА	СВ	СД	СЕ	Исходная концентрация продуктов
(-) Израсходованная концентрация	ΔСА	ΔСВ	ΔСД	ΔСЕ	( +) Образовавшаяся концентрация
Равновесная концентрация реагентов	[А]	[В]	[Д]	[Е]	Равновесная концентрация продуктов

Примечание: для реагентов: [А] = С_А – ΔС_А; для продуктов: [Д] = С_Д + ΔС_Д.

ΔС_А : ΔС_В : ΔС_Д : ΔС_Е = а : в : д : е (где а, в, д, е – количество молей веществ А, В, Д, Е, участвующих в реакции).

Если в условии задачи не указаны исходные концентрации продуктов реакции, то они принимаются равными нулю.

РАСЧЕТ КОНСТАНТ РАВНОВЕСИЙ

Сисх С_А С_В 0 0

аА + вВ = dD + eE

∆ ∆А ∆В ∆D ∆E

[ ] [A] [B] [D] [E]

К_С = [D]^d[E]^e/[A]^a[B]^b

ТИП 1: С_А=1моль/л; С_В=1моль/л; [D]=0,1моль/л; К_С=?

Сисх 1 ? 0 0

А + 2В = D + 3E

∆ -0,1 -0,2 +0,1 +0,3

[ ] 0,9 0,8 0,1 0,3

K_C = 0,1 (0,3)³/0,9 (0,8)²=0,005

ТИП 2: C_А =1моль/л; [D]=0,1моль/л; К_С=1; С_В=?

Сисх 1 ? 0 0

А + 2В = D + 3E

∆ -0,1 -0,2 +0,1 +0,3

[ ] 0,9 Х 0,1 0,3

К_С = 0,1 (0,3)³/0,9 Х² =1

С_В = Х + 0,2

ТИП 3: С_А=1моль/л; С_В = 1моль/л; К_С =1; [ ] = ?

Сисх 1 1 0 0

А + В = D + E

∆ -Х -2Х +Х +3Х

[ ] 1-Х 1-2Х Х 3Х

К_С = Х (3Х)³/(1-Х0(1-2Х)²=1

ПРИМЕР 1: В системе А _(г) + 2В_(г) = Д_(г) равновесные концентрации равны: [А] = 0,06 моль/л, [В] = 0,12 моль/л, [Д] = 0,216 моль/л. Найти константу равновесия реакции и исходные концентрации веществ А и В.

РЕШЕНИЕ: Константа равновесия данной реакции выражается уравнением:

Кс = [Д] / [А] [В]².

Подставляя в него данные задачи, получаем:

Кс = 0,216 / 0,06 (0,12)² = 2,5.

Для нахождения исходной концентрации вещества А учтем, что, согласно уравнению реакции, из 1 моля А образуется 1 моль Д. Поскольку по условию задачи в каждом литре системы образовалось 0,216 моля вещества Д, то при этом было израсходовано 0,216 моля А Таким образом, исходная концентрация вещества А равна:

С_А = [А] +Δ С_А = 0,06 + 0,216 = 0,276 моль/л;

Для нахождения исходной концентрации вещества В, учтем, что согласно уравнению реакции, из 2 молей В образуется 1 моль Д. Поскольку по условию задачи в каждом литре системы образовалось 0,216 моля вещества Д, то при этом было израсходовано 0,216·2 = 0,432 моля В. Таким образом, исходная концентрация вещества В равна: С_В = [В] + ΔС_В = 0,21 + 0,432 = 0,552 моль/л.

ОТВЕТ: С_А = 0,276 моль/л, С_В = 0,552 моль/л, Кс = 2,5.

Переход системы из одного равновесного состояния к другому называется смещением или сдвигом равновесия.

Характер смещения химического равновесия под влиянием внешних воздействий можно прогнозировать, применяя принцип Ле Шателье:

Если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказать какое-либо воздействие, то в системе усиливаются те процессы, которые стремятся свести это воздействие к минимуму.

1. Повышение температуры приводит к смещению химического равновесия в направлении реакции, сопровождающейся поглощением теплоты, т.е. в сторону эндотермической реакции;

2. Повышение давления вызывает смещение химического равновесия в направлении уменьшения общего числа молей газообразных веществ, т.е. в направлении, приводящем к понижению давления;

3. Удаление из системы одного из продуктов реакции ведет к смещению равновесия в сторону прямой реакции;

4. Уменьшение концентрации одного из исходных веществ приводит к сдвигу химического равновесия в направлении обратной реакции.

ПРИМЕР 2: Эндотермическая реакция разложения пентахлорида фосфора протекает по уравнению PCl_5(г)↔ PCl_3(г)+ Cl_2(Г),∆H = +92,59 кДж. Как надо изменить: а) температуру; б) давление; в) концентрацию, чтобы сместить химическое равновесие в сторону прямой реакции – разложения РС1₅?

РЕШЕНИЕ: Направление, в котором смещается химическое равновесие, определяется по принципу Ле Шателье (см. выше): А) так как реакция разложения РС1₅ эндотермическая, т.е. протекает с поглощением тепла (∆Н>0), то для смещения равновесия в сторону прямой реакции нужно повысить температуру;

Б) так как в данной системе разложение РС1₅ ведет к увеличению числа молей газообразных веществ (из одного моля газа образуются два моля газообразных веществ), то для смещения равновесия в сторону прямой реакции надо уменьшить давление;

В) чтобы сместить равновесие в сторону прямой реакции (при Т и Р – соnst), можно увеличить концентрацию РС1₅ или уменьшить концентрацию РС1₃ или С1₂.

ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

41. В гомогенной системе А_(г) + 2В _(г)↔ С_(г) равновесные концентрации реагирующих газов: [А] = 0,06 моль/л; [В] = 0,12 моль/л; [С] = 0,216 моль/л. Вычислите константу равновесия системы и исходные концентрации веществ А и В. Изменением каких факторов (Р, С) можно сместить химическое равновесие данной системы вправо? Дайте обоснованный ответ.

42.Вгомогенной газовой системе А_(г)+В_(г)↔С_(г)+D_(г)равновесие установилось при концентрациях: [ В] = 0,05 моль/л и [ С] = 0,02 моль/л. Константа равновесия системы равна 0,4. Вычислите исходные концентрации веществ А и В. Изменением каких факторов (Р, С) можно сместить химическое равновесие данной системы влево ? Дайте обоснованный ответ.

43. Равновесие гомогенной системы 4HCI (г) + О₂ ↔ 2 Н₂О (г) + 2CI₂ (г) установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ: [Н₂О] = 0,14 моль/л; [Cl₂] = 0,14 моль/л; [НС1] = 0,20 моль/л; [О₂] = 0,32 моль/л. Вычис­лите исходные концентрации хлороводорода и кислорода. Изменением каких факторов (Р, С) можно сместить химическое равновесие данной системы вправо? Дайте обоснованный ответ.

44. .Вычислите константу равновесия для гомогенной системы

СО(г)+Н₂О (г) ↔CO₂(г) +Н₂ (г) если равновесные концентрации реагирующих веществ: [CO]= 0,004 моль/л; [Н₂О]=0,064 моль/л; [СО₂] = 0,016 моль/л; [Н₂] = 0,016 моль/л. Рассчитайте константу равновесия и исходные концентрации воды и СО? Изменением каких факторов (Р, С) можно сместить химическое равновесие данной системы влево? Дайте обоснованный ответ.

45. Константа равновесия гомогенной системы СО(г) + Н₂О(г) ↔ СО₂ + Н₂ (г) при некоторой температуре равна 1. Вычислите равновесные концентрации всех реаги­рующих веществ, если исходные концентрации: С_СО = 0,10 моль/л; С _Н2О= 0,40 моль/л. Изменением каких факторов (Р, С) можно сместить химическое равновесие данной системы вправо? Дайте обоснованный ответ.

46. Константа равновесия гомогенной системы N_2(г) + 3H_2(г) ↔ 2NH_3(г) при некоторой температуре равна 0,1. Равновесные концентрации водорода и аммиака соответственно равны 0,2 и 0,08 моль/ л. Вычислите равновесную и исходную концентрацию азота. Изменением каких факторов (Р, С) можно сместить химическое равновесие данной системы влево? Дайте обоснованный ответ.

47. При некоторой температуре равновесие гомогенной системы

2NO_(г)+О_2(г)↔2NO_2(г) установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ: [NO] =0,2 моль/л; [О₂] = 0,1моль/л; [NO₂] = 0,1моль/л. Вычислите константу равнове­сия и исходные концентрации NO и О₂. Изменением каких факторов (Р,С) можно сместить химическое равновесие данной системы вправо? Дайте обоснованный ответ.

48. В гомогенной системе 2NO_(г) + Cl_2(г) ↔ 2NOCl_(г) исходные концентрации оксида азота и хлора составляют соответственно 0,5 и 0,2 моль/л. Вычислите константу равновесия, если к моменту наступления равновесия прореагировало 20% NO. Изменением каких факторов (Р, С) можно сместить химическое равновесие данной системы влево? Дайте обоснованный ответ.

49. В гомогенной системе CO_(г) + Cl_2(г) ↔ COCl_2(г) равновесные концентрации реагирующих веществ: [CO] = 0,2 моль/л; [Cl₂] = 0,3моль/л; [COCl₂] = 1,2моль/л. Вычислите константу равновесия системы и исходные концентрации хлора и оксида азота. Изменением каких факторов (Р, С) можно сместить химическое равновесие данной системы вправо? Дайте обоснованный ответ.

50. При состоянии равновесия в системе N_2(г) + 3H_2(г) ↔ 2NH_3(г) концентрации участвующих веществ равны: [N₂] = 3 моль/л; [H₂] = 9моль/л; [NH₃] = 4 моль/л. Определить исходные концентрации водорода и азота. Изменением каких факторов (Р, С) можно сместить химическое равновесие данной системы влево? Дайте обоснованный ответ.

51. Константа равновесия реакции FeO_(тв)+ CO_(г) ↔ Fe_(тв) + CO_2(г) при некоторой температуре равна 0,5. Найти равновесные концентрации СО и СО₂, если начальные концентрации этих веществ составляли: С_СО = 0,05моль/л; С_СО2 = 0,01моль/л. Изменением каких факторов (Р, С) можно сместить химическое равновесие данной системы вправо? Дайте обоснованный ответ.

52. Равновесие в системе Н_2(г) + J_2(г) ↔ 2HJ_(г) установилось при следующих концентрациях: [H₂] = 0,025моль/л; [J₂] = 0,005 моль/л; [HJ] = 0,09моль/л. Определить исходные концентрации иода и водорода. Изменением каких факторов (Р, С) можно сместить химическое равновесие данной системы влево? Дайте обоснованный ответ.

53. При некоторой температуре равновесие в системе 2NO_2(г) ↔ 2NO_(г) + O_2(г) установилось при следующих концентрациях: [NO₂] = 0,006моль/л; [NO] = 0,024моль/л. Найти константу равновесия реакции и исходную концентрацию диоксида азота. Изменением каких факторов (Р, С) можно сместить химическое равновесие данной системы вправо? Дайте обоснованный ответ.

54. После смешивания газов А и В в системе А + В ↔ С + Д устанавливается равновесие при следующих концентрациях: [В] = 0,05моль/л; [С] = 0,02моль/л. Константа равновесия реакции равна 0,04. Найти исходные концентрации веществ А и В. Изменением каких факторов (Р, С) можно сместить химическое равновесие данной системы влево? Дайте обоснованный ответ.

55. Найти константу равновесия реакции N₂O_4(г) ↔ 2NO_2(г), если начальная концентрация N₂O₄ составляла 0,08 моль/л, а к моменту наступления равновесия продиссоциировало 50% N₂O₄. Изменением каких факторов (Р, С) можно сместить химическое равновесие данной системы вправо? Дайте обоснованный ответ.

56. В замкнутом сосуде протекает реакция АВ_(г) ↔ А_(г) + В_(г). Константа равновесия реакции равна 0,04, а равновесная концентрация вещества В составляет 0,02 моль/л. Найти начальную концентрацию вещества АВ. Сколько процентов вещества АВ разложилось? Изменением каких факторов (Р, С) можно сместить химическое равновесие данной системы влево? Дайте обоснованный ответ.

57. При некоторой температуре равновесные концентрации в системе 2SO_2(г) + O_2(г) ↔ 2SO_3(г) составляли соответственно [SO₂]=0,04моль/л, [O₂]=0,06моль/л, [SO₃]=0,02моль/л. Вычислить константу равновесия и исходные концентрации оксида серы (1V) и кислорода. Изменением каких факторов (Р, С) можно сместить химическое равновесие данной системы вправо? Дайте обоснованный ответ.

58. Реакция CO_(г) + Cl_2(г) ↔ COCl_2(г) протекает в объеме 20л. Состав равновесной смеси 0,28г СО, 0,355г Cl₂ и 0,495г COCl₂. Вычислить константу равновесия реакции и исходную концентрацию Сl₂. Изменением каких факторов (Р, С) можно сместить химическое равновесие данной системы влево? Дайте обоснованный ответ.

59. При некоторой температуре равновесие в системе 2NO_2(г) ↔ 2NO_(г) + O_2(г) установилось при следующих концентрациях: [NO₂] = 0,006моль/л; [NO] = 0,012моль/л. Найти константу равновесия реакции и исходную концентрацию диоксида азота. Изменением каких факторов (Р, С) можно сместить химическое равновесие данной системы вправо? Дайте обоснованный ответ.

60. В гомогенной системе 2NO_(г) + Cl_2(г) ↔ 2NOCl_(г) исходные концентрации оксида азота и хлора составляют соответственно 0,5 и 0,2 моль/л. Вычислите константу равновесия, если к моменту наступления равновесия прореагировало 50% NO. Изменением каких факторов (Р, С) можно сместить химическое равновесие данной системы влево? Дайте обоснованный ответ.