Подставив в математическое выражение константы значения равновесных концентраций веществ, определим

Для определения направление смещения равновесия используют принцип Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказано внешнее воздействие (изменены температура, давление и др.), то происходит сдвиг равновесия в том направлении, которое ослабляет эффект этого воздействия. Сдвиг равновесия приводит к изменению равновесного состава.

В данном примере нужно проанализировать сдвиг равновесия при изменении давления. Смещение равновесия путем изменения давления существенно только в системах с участием газов и пренебрежимо мало для кондесированных (жидких и твердых) систем. При повышении давления (увеличения числа моль газа в единице объема) равновесие смещается в сторону уменьшения числа моль газов и уменьшения числа моль газов в единице объема. Наоборот, при уменьшении давления равновесие сдвигается в сторону увеличения числа моль газов (при постоянном объеме – в сторону увеличения давления). Т.о. в нашей системе равновесие при уменьшении давления сдвигается в направлении образования СО за счет реакции СО₂ с графитом, т.к. в данной реакции число моль газа увеличивается (Dn=2 – 1 =1).

Пример 4. Для реакции

2 С_{(графит)} + Н_2(г) = С₂Н_2(г), D H ⁰_х.р. = 226,75 кДж.

1. Написать математическое выражение константы равновесия К_с.

2. Указать, как влияет на концентрацию ацетилена в равновесной смеси:

а) повышение температуры; б) увеличение давления (T =const);

в) увеличение весового количества графита; г) введение катализатора.

Решение:

1. Реакция синтеза ацетилена является гетерогенным процессом и протекает на границе раздела твердой и газообразной фазы. Концентрация твердой фазы – графита является постоянной величиной, и константа равновесия данной реакции представляет собой отношение равновесных концентраций ацетилена и водорода:

;

2. Качественно направление смещение равновесия при изменении одного из условий равновесия определяется принципом Ле Шателье (см. пример 3):

а) данная реакция является эндотермическим процессом (D H ⁰ > 0), подвод тепла извне компенсируется его поглощением в эндотермическом процессе, и равновесие смещается в направлении протекания прямой реакции, что приведет к увеличению концентрации ацетилена в равновесной смеси;

б) увеличение давления приводит к увеличению молярной концентрации газообразных веществ (водорода и ацетилена), т.о. концентрация ацетилена возрастает, хотя смещения равновесия не происходит, так как протекание данной реакции не сопровождается изменением числа моль газов D n =0;

в) данная система является гетерогенной; константа равновесия К_с не включает в себя твердую фазу, поэтому весовое количество графита не влияет на величину концентрации ацетилена;

г) введение катализатора сокращает время достижения равновесия, но не влияет на его смещение. Следовательно, равновесная концентрация ацетилена в присутствии катализатора остается постоянной.

Пример 5. Для реакции Ag₂O_(к) = 2Ag_(к) + 0,5O_2(г), D H ⁰_х.р = 31,15 кДж

1. Написать математические выражения для К_с и К_р и сравнить совпадают ли они численно?

2. В сторону расходования или образования кислорода сдвигается равновесие при: а) уменьшении давления; изменится ли при этом концентрация кислорода; б) увеличение температуры; изменится ли при этом концентрация кислорода в) увеличение весового количества Ag₂O?

Решение:

1.Т.к. реакция гетерогенная, то константа равновесия не включает в себя концентрации и давление твердых фаз: _{Кс =}[O₂]^0,5, К_р = , К_р = К_с (RT)^{D n} = К_с (RT)^0,5.

1. а) По принципу Ле Шателье (см. примеры 3 и 4) равновесие сместится при уменьшении давления в сторону разложения Ag₂O(к) и образования кислорода, однако, т.к. К_с = const при Т = const и не зависит от общего давления, концентрация кислорода останется прежней из-за возрастания общего объема системы при уменьшении давления;

б) Ввиду эндотермичности процесса, равновесие с ростом температуры сдвинется в сторону разложения оксида серебра и накопления кислорода в системе. К_с эндотермических реакций с ростом температуры возрастает, поэтому равновесная концентрация кислорода также возрастает;

в) Т.к. концентрация оксида серебра не входит в выражении константы равновесия, то увеличение весового его количества на равновесие не влияет.

Задачи

41. Равновесие в гетерогенной системе С_{(графит)} + 2 Cl_2(г) = CCl_4(г) установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ (моль/л): [Cl₂] = 0,8, [CCl₄] =0,3. Рассчитать начальную концентрацию хлора. В каком направлении сместится равновесие в данной системе при увеличении давления?

42. Равновесие в гомогенной системе N_2(г) + 3 H_2(г) = 2 NH_3(г) установилось при следующих концентрациях (моль/л): [N₂] = 11; [H₂] = 2; [NH₃] =3. Вычислить константу равновесия (К_с) и исходные концентрации азота и водорода. В каком направлении сместится равновесие данной реакции при увеличении давления?

43. Равновесие в гомогенной системе 4HCl_(г) +O_2(г)=2H₂O_(г)+ 2Cl_2(г) установилось при следующих концентрациях (моль/л): [HCl] = 0,25; [O₂] =0,3; [H₂O] = 0,2; [Cl₂] =0,2. Вычислить константу равновесия (Кс) и исходные концентрации HCl и О₂. В каком направлении сместится равновесие в данной сиcтеме при уменьшении общего давления?

44. Константа равновесия реакции H_2(г) + I_2(г) = 2HI_(г), D H ⁰_х.р. = 51,8 кДж, К_с = 50. Равновесные концентрации водорода и иода (моль/л) соответственно составляют 1 и 6. Рассчитать начальные концентрации водорода и иода. Какие факторы будут способствовать увеличению равновесной концентрации продукта реакции?

45. Для реакции 2NО_2(г) = 2NO_(г) + O_2(г) рассчитать исходную концентрацию NO₂ и константу равновесия (Кс), если равновесие установилось при следующих концентрациях (моль/л): [NO₂] =0,2; [NO] = 0,6; [O₂] = 0,3. В каком направлении сместится равновесие в данной реакции при увеличении давления в системе? Записать математическое выражение Кр и определить совпадают ли К_р и К_с численно.

46. Равновесие в гетерогенной системе С_{(графит)} + СО_2(г) = 2 CО_(г) установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ (моль/л): [CО₂] = 0,6, [CO] = 0,4. Вычислить исходную концентрацию СО₂ и константу равновесия К_с. Записать математическое выражение К_р и определить совпадают ли К_р и К_с численно.

47. Константа равновесия реакции С_{(графит)} + 2 Н_2(г) = CН_4(г) при некоторой температуре К_с =21,3. Рассчитать исходную концентрацию водорода, если равновесная концентрация метана равна 0,1 моль/л. В каком направлении сместится равновесие в данной системе при уменьшении давления?

48. Исходные концентрации CO и Cl₂, участвующих в реакции СО_(г) + Cl_2(г) = CОCl_2(г), равны 1 моль/л. Рассчитать равновесные концентрации реагирующих веществ, если к моменту равновесия прореагировало 60% первоначального количества СО. Записать математическое выражение для К_р и К_с и определить совпадают ли они численно.

49. Разложение метана протекает по уравнению:

2CH_4(г) = C₂H_2(г) + 3H_2(г). Рассчитайте исходную концентрацию метана, если равновесие установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ (моль/л): [CH₄] = 0,2; [H₂] = 0,3; [C₂H₂] = 0,1. В каком направлении сместится равновесие в данной реакции при уменьшении объема системы? Записать математическое выражение для К_р и К_с и определить совпадают ли они численно.

50. Дано уравнение реакции H_2(г) + I_2(г) = 2 HI_(г). Сколько HI образуется к моменту равновесия из 2 моль H₂ и 1 моль I₂, если К_с = 50. В каком направлении сместится равновесие при увеличении давления в системе? Записать математическое выражение К_р и определить совпадают ли К_р и К_с численно.

51. Реакция разложения диоксида азота протекает по уравнению 2NO_2(г) = 2 NO_(г) + O_2(г). Вычислить равновесные концентрации реагирующих веществ, если исходная концентрация NO₂ равна 4 моль/л, а к моменту равновесия прореагировало 60% от его первоначального количества. В каком направлении сместится равновесие в данной реакции при увеличении давления в сиcтеме? Записать математическое выражение для К_р и К_с и определить совпадают ли они численно.

52. Рассчитать константу равновесия (Кс) реакции N_2(г) + 3H_2(г)= 2NH_3(г), если исходные

концентрации N₂ и H₂ соответственно равны 0,4 и 2,24 моль/л и к моменту равновесия прореагировало 20% исходного количества азота. Записать математическое выражение К_р и определить совпадают ли К_р и К_с численно.

53. Рассчитать Кс реакции N₂O_4(г) = 2 NO_2(г), если начальная концентрация N₂O₄ составляла 0,08 моль/л, а к моменту равновесия прореагировало 50% N₂O₄. Записать математическое выражение К_р и определить совпадают ли К_р и К_с численно.

54. Константа равновесия (Кс) реакции: СО_2(г) + Н_2(г) = СО_(г) + Н₂О_(г) при некоторой температуре равна 1. Определить равновесные концентрации реагирующих веществ, если исходные концентрации СО₂ и Н₂ составляли соответственно 1 и 5 моль/л. Влияете ли изменение давления на смещение равновесия реакции? Записать математическое выражение К_р и определить совпадают ли К_р и К_с численно.

55. Рассчитать Кс реакции 2SO_2(г) + O_2(г) = 2SO_3(г), если начальные концентрации SO₂ и O₂ (моль/л) соответственно равны 2 и 4 и к моменту равновесия прореагировало 25% исходного количества SO₂. Записать математическое выражение К_р и определить совпадают ли К_р и К_с численно.

56. Рассчитать К_с реакции CO_(г) + Cl_2(г) = COCl_2(г), если из 2 моль СО и 2 моль Cl₂ образовалось к моменту равновесия 0,45 моль COCl₂. В каком направлении сместится равновесие в данной реакции при уменьшении объема системы? Записать математическое выражение К_р и определить совпадают ли К_р и К_с численно.

57. Рассчитать К_с реакции 2H_2(г) + S_2(г) = 2 H₂S_(г), если исходные концентрации H₂ и S₂ составляют соответственно 4 и 3 моль/л и к моменту равновесия прореагировало 70% исходного количества Н₂. Записать математическое выражение К_р и определить совпадают ли К_р и К_с численно.

58. Для реакции H_2(г) + Br_2(г) = 2 HBr_(г) константа равновесия при некоторой температуре К_с =1. Определить равновесные концентрации реагентов, если исходная смесь состояла из 3 молей водорода и 1 моля брома (общий объем системы 1 л). Записать математическое выражение К_р и определить совпадают ли К_р и К_с численно.

59. Рассчитать константу равновесия (Кс) для реакции PCl_5(г) = PCl_3(г) + Cl_2(г), если к моменту равновесия прореагировало 54% PCl₅, исходная концентрация которого составляла 2 моль/л. Записать математическое выражение К_р и определить совпадают ли К_р и К_с численно.

60. При некоторой температуре равновесие в системе 2NO_2(г) = 2NO_(г) + O_2(г) установилось при следующих концентрациях: [NO₂] = 0,06 моль/л; [NO] = 0,24 моль/л; [O₂] = 0,12 моль/л. Найти константу равновесия (К_с) реакции и исходную концентрацию NO₂. Записать математическое выражение К_р и определить совпадают ли К_р и К_с численно.

61. Константа равновесия (К_с) реакции FeO_(к) + CO_(г) = Fe_(к) + CO_2(г) при некоторой температуре равна 0,5. Найти равновесные концентрации СО и СО₂, если исходная концентрация СО составляла 0,8 моль/л. Записать математическое выражение К_р и определить совпадают ли К_р и К_с численно.

62. Рассчитать равновесные концентрации веществ и константу равновесия К_с для реакции С₂Н_6(г) = С₂Н_4(г) + Н_2(г), если исходная концентрация этана составляла 2 моль/л и к моменту равновесия прореагировало 50% исходного количества. Записать математическое выражение К_р и определить совпадают ли К_р и К_с численно.

63. Для реакции 2Fe_(к) + 3 H₂O_(г) = Fe₂O_3(к) + 3H_2(г), D H ⁰_х.р. = 35,4 кДж.

1) Написать математические выражения константы равновесия К_с и К_р и установить взаимосвязь между ними;

2) указать, как влияют на концентрацию водорода в равновесной смеси: а) увеличение давления; б) увеличение концентрации водяного пара?

64. Для реакции CaCO_3(к) = CO_2(г) + CaO_(к), D H ⁰_х.р. = 277,4 кДж

1) Написать математические выражения константы равновесия К_с и К_р и установить взаимосвязь между ними;

2) Указать, как влияют на концентрацию диоксида углерода в равновесной смеси: а) увеличение температуры; б) уменьшение давления?

65. Для реакции 4HCl_(г) + O_2(г) = 2 H₂O_(г) + 2Cl_2(г), D H ⁰_х.р. = -88 кДж;

1) Написать математические выражения константы равновесия К_с и К_р и установить взаимосвязь между ними;

2) Указать, в каком направлении сместится равновесие при: а) увеличении давления; б) увеличении концентрации водяного пара; в) введении катализатора?

66. Для реакции Ag₂O_(к) = 2Ag_(к) + 0,5O_2(г), D H ⁰_х.р. = 31,15 кДж

1) Написать математические выражения константы равновесия К_с и К_р и установить взаимосвязь между ними;

2) В сторону расходования или образования кислорода сдвигается равновесие при: а) уменьшении давления; б) увеличении температуры; в) увеличении весового количества Ag₂O?

67. Для реакции Fe₂O_3(к) + 3H_2(г) = 2Fe_(к) + 3H₂O_(г), D H ⁰_х.р. = -35,4 кДж

1) Написать математические выражения константы равновесия К_с и К_р и установить взаимосвязь между ними;

2) Указать, как влияют на концентрацию водяного пара в равновесной смеси: а) повышение температуры; б) увеличение концентрации водорода; в) введение катализатора.

68. Для реакции C_{(графит)} + CO_2(г) = 2CO_(г), D H ⁰_х.р. = 172,6 кДж

1) Написать математические выражения константы равновесия К_с и К_р и установить взаимосвязь между ними;

2) Указать, как влияет на концентрацию оксида углерода (IV); а) повышение давления; б) увеличение весового количества графита; в) увеличение концентрации оксида углерода (II).

69. Для реакции C_{(графит)} + 2H_2(г) = CH_4(г), D H ⁰_х.р. = -74,86кДж

1) Написать математические выражения константы равновесия К_с и К_р и установить взаимосвязь между ними;

2) Указать, как влияет на концентрацию метана в равновесной смеси: а) повышение температуры; б) увеличение концентрации водорода; в) введение катализатора.

70. Для реакции С_{(графит)} + О_2(г) = СО_2(г), D H ⁰_х.р. = -393,8 кДж,

1) Написать математические выражения константы равновесия К_с и К_р и установить взаимосвязь между ними;

2) Указать, в каком направлении смещается равновесие в системе при: а) нагревании; б) увеличении весового количества графита; в) увеличении концентрации кислорода.

71. Для реакции синтеза аммиака N_2(г) + 3H_2(г) = 2NH_3(г), D H ⁰_х.р. = -92,4 кДж

1) Написать математические выражения константы равновесия К_с и К_р и установить взаимосвязь между ними;

2) В сторону расходования или образования аммиака сдвигается равновесие при: а) увеличении давления; б) увеличении концентрации водорода; в) введении катализатора.

72. Для реакции 2N₂O_(г) = 2N_2(г) + O_2(г), D H ⁰_х.р. < 0

1) Написать математическое выражение константы равновесия К_с; 2) В сторону расходования или образования кислорода сдвигается равновесие при: а) увеличении

температуры; б) уменьшении общего объема смеси; в) увеличении концентрации азота.

73. Для реакции СаО_(к) + 3С_{(графит)} = СаС_2(к) + СО_(г), D H ⁰_х.р. < 0

1) Написать математические выражения константы равновесия К_с и К_р и установить взаимосвязь между ними;

2) В сторону расходования или образования СО сдвигается равновесие при: а) введении катализатора; б) увеличении давления; в) понижении температуры.

74. Для реакции BaO_(к) + CO_2(г) = BaCO_3(г), D H ⁰_х.р. < 0

1) Написать математические выражения константы равновесия К_с и К_р и установить

взаимосвязь между ними;

2) В сторону расходования или образования углекислого газа сдвигается равновесие при: а) увеличении давления; б) повышении температуры.

75. Для реакции Fe_(к) + 0,5 O_2(г) = FeO_(к), D H ⁰_х.р. < 0

1) Написать математические выражения константы равновесия К_с и К_р и установить взаимосвязь между ними;

2) В сторону расходования или образования кислорода сдвигается равновесие при: а) увеличении общего объема системы; б) понижении температуры.

76. Для реакции SO₂Cl_2(г) = SO_2(г) + Cl_2(г) D H ⁰_х.р. > 0

1) Написать математические выражения константы равновесия К_с и К_р и установить взаимосвязь между ними;

2) В сторону расходования или образования хлора сдвигается равновесие при: а) увеличении концентрации диоксида серы;

б) увеличении температуры; в) введении катализатора.