1.3. Расчет равновесных концентраций с использованием константы равновесия

Пример 4. Реакция протекает по уравнению 2С_(тв)+О_2(г)  2СО_(г).

с₀(О₂)=4 моль/л, К_с=4. Вычислите равновесные концентрации веществ и массовую долю прореагировавшего кислорода.

Решение.

1) Реакция гетерогенная, выражение константы равновесия:

В соответствии с (4) запишем выражения для равновесных концентраций:

[O₂] = c₀(O₂) - c(O₂),

[CO] = c₀(CO) + c(CO).

Учитывая, что с₀(СО)=0моль/л, [CO]=c(CO). Для определения изменения концентрации c участников реакции запишем в соответствии с (5):

=const, обозначим эту величину – x.

Отсюда c(O₂)=x, c(CO)=2x, и тогда [O₂]=4 – x и [CO]= 2x.

Подставляя значения [O₂] и [CO] в выражение для константы равновесия, получаем

.

Решаем уравнение:

4x² = 4(4-x)

4x² + 4x – 16 = 0, или x² + x – 4 = 0

Решаем уравнение относительно x.

D=1-4(-4)=17,

x_1,2=½ (-1±√17),

x₁ = 1,56

x₂ = -2,56. Значение не имеет физического смысла.

Рассчитываем равновесные концентрации:

[O₂] = 4 – 1,56 = 2,44 моль/л,

[CO] = 2 · 1,56 = 3,12 моль/л.

2) Рассчитываем массовую долю прореагировавшего кислорода:

c₀(O₂) – 100%

c(O₂) – ω %

= .

Ответ: [O₂] = 2,44 моль/л, [CO] = 3,12 моль/л, .

II. Смещение химического равновесия. Принцип ле-шателье

2.1. Общие понятия

Химическое равновесие является подвижным. Это означает, что в результате внешнего воздействия на равновесную систему (изменения концентрации, давления или температуры), нарушается равенство скоростей прямой и обратной реакций, и равновесие смещается по направлению той реакции, скорость которой стала больше.

Направление смещения равновесия определяется принципом Ле-Шателье: внешнее воздействие на равновесную систему приводит к смещению равновесия в сторону той реакции (прямой или обратной), которая противодействует этому воздействию. Таким образом:

а) если в результате воздействия на систему скорость прямой реакции становится больше скорости обратной реакции (), то равновесие смещается вправо «→», при этом концентрации реагентов в системе уменьшаются, а продуктов – увеличиваются;

б) если скорость прямой реакции становится меньше скорости обратной реакции (), то равновесие смещается влево «←», при этом концентрации реагентов в системе увеличиваются, а продуктов – уменьшаются.

Через некоторое время система вновь придет в равновесное состояние, но ему будут соответствовать новые условия и новые равновесные концентрации.

2.2. Влияние изменения концентраций на направление смещения равновесия

При введении в равновесную систему дополнительного количества какого-либо из веществ, участвующих в реакции, равновесие смещается по направлению той реакции, в ходе которой это вещество расходуется. Наоборот, выведение из равновесной системы какого-либо вещества способствует смещению равновесия по направлению реакции, идущей с образованием этого вещества. Следовательно:

• при введении в равновесную смесь (увеличении концентрации) реагентов или выведении из нее (уменьшении концентрации) продуктов выполняется условие , и равновесие сдвигается по направлению прямой реакции, т.е. вправо «→»;

• при выведении из системы (уменьшении концентрации) реагентов или введении в нее (увеличении концентрации) продуктов выполняется условие , и равновесие сдвигается по направлению обратной реакции, т.е. влево «←».

Пример 5. В каком направлении сместится равновесие

3Fe_(тв) + 2CO_(г)  Fe₃C_(тв) + CO_2(г)

при увеличении концентрации оксида углерода (II) в 2 раза, а оксида углерода (IV) в 6 раз? Ответ подтвердите расчетом.

Решение.

Чтобы определить, в каком направлении сместится равновесие, надо определить, во сколько раз изменятся скорости прямой и обратной реакций при указанном изменении концентраций. Запишем закон действующих масс для прямой и обратной реакции, учитывая, что реакция гетерогенная:

Таблица 4

Реакция:	прямая	обратная
1) При равновесии
2) При измененных концентрациях
3) Отношение	=	=

Из полученных данных следует, что при указанном изменении концентраций скорость прямой реакции увеличилась в 4 раза, а обратной – в 6 раз, т.е. выполняется условие , и равновесие смещается влево (←).

Ответ: равновесие смещается влево ().