Смещение химического равновесия (принцип Ле Шателье)

 

Равновесие можно сместить внешним воздействием, руководствуясь принципом Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии оказать внешнее воздействие (изменить концентрацию, температуру, давление), то равновесие смещается в сторону той реакции (прямой или обратной), которая ослабляет это воздействие.

Влияние температуры. Для реакций, идущих с уменьшением энтальпии (экзотермических), повышение температуры будет препятствовать протеканию прямого процесса, т. е. смещать реакцию в сторону исходных веществ. Эндотермические реакции при этом будут смещаться в сторону продуктов реакции.

Например: CO + 1/2O₂ = CO₂ ΔH < 0, повышением температуры будет смещать химическое равновесие в сторону исходных веществ.

Влияние давления. Если реагируют газообразные вещества, то при неизменном числе молей начальных и конечных реагентов повышение общего давления не приведет к смещению равновесия. Если число молей при реакции меняется, то изменение общего давления приведет к смещению равновесия.

Например: реакция 2CO_(г) + O_2(г) = 2CO_2(г), протекающая с уменьшением количества газообразного вещества, при повышении общего давления сместится в сторону уменьшения давления, т.е. в сторону меньшего объема газообразных веществ (в сторону образования СO₂).

Влияние концентраций. В тех реакциях, в которых лучше оперировать концентрациями (реакции в растворах), увеличениеконцентраций исходных веществ приводит к смещению равновесия в сторону продуктов и, наоборот,

.

Так, в реакции увеличения концентрации аммиака или хлора увеличивает выход азота и соляной кислоты, а добавление в систему азота приводит к образованию исходных веществ.

 

Примеры решения задач

Пример 1. Во сколько раз изменится скорость реакции  при увеличении давления в системе в 2 раза? Температура системы поддерживается постоянной.

Решение. Предположим, что рассматриваемая реакция является элементарной, т. е. для нее справедлив закон действующих масс (7.2):

.

Принимая, что концентрация и парциальное давление связаны прямо пропорциональной зависимостью , получаем .

После увеличения давления в системе в 2 раза парциальное давление каждого из реагентов возрастает в 8 раз, т.е. . Отсюда , следовательно, скорость реакции увеличится в 8 раз.

Пример 2. Вычислите, во сколько раз возрастет скорость реакции при увеличении температуры на 40 °С, если температурный коэффициент реакции равен 3?

Решение. Согласно математическому выражению правила Вант-Гоффа (7.6) в нашем примере Т₂  – Т₁ = 40 °С, подставив данные задачи в уравнение, получим V_Т2 / V_Т1 = 3^40/10 = 3⁴ = 81, т.е. скорость реакции возрастет в 81 раз.

Пример 3. При 353 К реакция заканчивается за 20 с. Сколько времени длится реакция при 293 К, если температурный коэффициент реакции равен 2,5?

Решение. Между скоростью протекания химических реакций и их продолжительностью существует обратно-пропорциональная зависимость V_Т2 / V_Т1  = t₁ / t₂, где t₁ и t₂ – время протекания реакции при температурах Т₁ и Т₂, таким образом, в данном случае правило Вант-Гоффа можно записать следующим выражением:

t₁ / t₂ = g^{Т2 -Т1/10};

t₁ = t₂ ∙ g^{Т2 – Т1/10} = 20 ∙ 2,5^{353 – 293/10} = 20 ∙ 2,5⁶ = 4879 с = 1 ч 21 мин 19 с.

Пример 4. При синтезе аммиака равновесие установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ: [N₂] = 2,5 моль/л;
[Н₂] = 1,8 моль/л; [NH₃] = 3,6 моль/л. Рассчитайте константу равновесия этой реакции и исходные концентрации азота и водорода.

Решение. Исходя из уравнения реакции получения аммиака определяем константу равновесия этой реакции:

.

Исходные концентрации азота и водорода находим на основе уравнения реакции. На образование 2 моль аммиака расходуется 1 моль азота, а на образование 3,6 моль потребовалось 3,6 /2 = 1,8 моль азота. Учитывая равновесную концентрацию азота, находим первоначальную концентрацию = 2,5 + 1,8 = 4,3 моль/л. На образование 2 моль аммиака необходимо истратить 3 моль водорода, а для получения 3,6 молей аммиака требуется 3,6 ∙ 3/2 = 5,4 моль/л; = 1,8 + 5,4 = 7,2 моль/л.
Таким образом, реакция начиналась при концентрациях азота и водорода соответственно 4,3 и 7,2 моль/л.

7.3. Индивидуальные задания

181. Две реакции при 283К протекают с одинаковой скоростью.
Температурный коэффициент скорости первой и второй реакции равны соответственно 2,5 и 3,0. Как будут относиться скорости реакций, если первую из них провести при 350 К, а вторую – при 330? (Ответ: 2,65; 1,00.)

182. В начальный момент протекания реакции  концентрации были равны, моль/ : азота – 1,5; водорода – 2,5; аммиака – 0. Каковы концентрации азота и водорода при концентрации аммиака, равной 0,5 моль/ ? Запишите выражения для скорости реакции и для константы равновесия. Как можно увеличить выход аммиака? (Ответ: 1,25 моль/ ; 1,75 моль/ .)

183. Начальные концентрации веществ в реакции  были равны, моль/ : оксида углерода(II) – 0,05; паров воды – 0,06; оксида углерода(IV) – 0,4; водорода – 0,2. Вычислите концентрации всех реагирующих веществ, после того, как прореагировало 60 % . (Ответ:
0,24 моль/ ; 0,14 моль/ ; 0,76 моль/ ; 0,56 моль/ .)

184. Реакция идет по уравнению . Как изменится скорость реакции, если увеличить давление в 2 раза? Укажите, какими изменениями можно сместить равновесие вправо? (Ответ: возрастет в 512 раз.)

185. Вычислите, при какой температуре реакция закончится за
45 мин, если при 293 К на это требуется 3 ч. Температурный коэффициент равен 3,2. (Ответ: 304,9 К.)

186. Каково значение энергии активации реакции, скорость которой при 300 К в 10 раз больше, чем при 280 К?

187. Определите равновесную концентрацию водорода в реакции , если исходная концентрация HI составляет 0,55 моль/ , а константа равновесия равна 0,12. В какую сторону сместится равновесие, если увеличить концентрацию HI; увеличить давление? (Ответ:
0,11 моль/ .)

188. При синтезе фосгена имеет место равновесие реакции . определите исходные концентрации хлора и оксида углерода, если равновесные концентрации, моль/ , равны: [ ] = 2,5; [CO] = 1,8; [ ] = 3,2. В какую сторону сместиться равновесие, если увеличить концентрацию фосгена; уменьшить давление? (Ответ: 5,0;
5,7 моль/ .)

189. Реакция протекает по уравнению 2А = В. Исходная концентрация вещества А равна 0,2 моль/ . Константа равновесия реакции 0,5. Вычислите равновесные концентрации веществ. (Ответ: 0,015; 0,017.)

190. В каком направлении сместится равновесие реакции , если концентрации всех реагирующих веществ уменьшить в 3 раза? Ответ потвердите расчетом скорости прямой и обратной реакции.

191. Равновесие в системе  при некоторой температуре установилось при концентрациях, моль/ : [ ] = 0,06; [NO] = 0,24; [ ] = 0,12. Определите константу равновесия и рассчитайте исходную концентрацию. (Ответ: 1,92; 0,3 моль/ .)

192. Определите равновесные количества веществ в реакции , если константа равновесия при некоторой температуре равна 1 и для реакции было взято 1 моль углекислого газа и
3 моль водорода. (Ответ: [ ] = 2,25; [ ] = 0,25; [CO] = 0,75;
[ ] = 0,75 моль/ .)

193. При некоторой температуре константа равновесия реакции  равна 1. Определите состав равновесной смеси, если для реакции были взяты 1 моль водорода и 2 моль брома. (Ответ:
[ ] = 0,55 моль; [ ]  = 1,55 моль; [HBr] = 0,90 моль.)

194. Запишите выражение для константы равновесия гетерогенной системы . Как изменить концентрацию веществ, давление, чтобы сместить равновесие в сторону обратной реакции – образования водяных паров?

195. Во сколько раз увеличится скорость реакции, протекающей при 298 К, если энергию ее активации уменьшить на 4 кДж/моль? (Ответ:
в 5 раз.)

196. Константа равновесия для реакции  при
850 °С равна 1. Исходные концентрации воды – 0,03 моль/ , угарного газа – 0,01 моль/ . Определите концентрации всех четырех веществ при равновесии. (Ответ: [СО] = 0,0025 моль/ ; [ ] = [ ] = 0,075 моль/ ; [ ] = 0,025 моль/ .)

197. Равновесие реакции, протекающей по уравнению , установилось при следующих концентрациях моль/ : [ ] = 0,004,
[ ] = 0,025, [HI] = 0,08. Определите константу равновесия этой реакции и исходные концентрации йода и водорода. (Ответ: Кр = 64;
0,044 моль/ ; 0,065 моль/ .)

198. Реакция протекает по уравнению . Равновесие установилось при следующих концентрациях, участвующих в ней веществ, моль : [NO] = 0,02, [ ] = 0,06, [ ] = 0,3. Определите константу равновесия и исходную концентрацию кислорода. (Ответ: Кр = 30, 0,33 моль/ .)

199. Обратимая реакция протекает по уравнению . Константа равновесия при определенной температуре равна 1. Определить концентрации всех реагирующих веществ при равновесии, зная, что исходные концентрации окиси углерода и водяного пара были 0,02 моль/ . (Ответ: [СО] = [ ] = [ ] = [ ] =
= 0,01 моль/ .)

200. Используя справочные данные, рассчитайте значения температуры, при которой константа равновесия реакции  равна единице. (Ответ: 983 К.)

201. На сколько градусов надо повысить температуру газообразной реакционной смеси, чтобы скорость реакции увеличилась в 125 раз, если температурный коэффициент равен 3?

202. При наступлении равновесия реакции  концентрации веществ имели следующие значения, моль/ : азота 0,5, водорода 1,5, аммиака 1. Рассчитайте исходные концентрации азота и водорода. (Ответ: 1 моль/  и 3 моль/ .)

203. Реакция при температуре 40 °С протекает за 180 с. Температурный коэффициент реакции равен 3. За сколько секунд завершиться эта реакция при 60 °С. (Ответ: за 20 с.)

204. Исходные концентрации азота и водорода в реакционной смеси для получения аммиака составили 4 и 10 моль/  соответственно. При наступлении равновесия прореагировало 50 % азота. Вычислите равновесные концентрации азота, водорода и аммиака. (Ответ:
[ ] = 2 моль/ , [ ] = [ ] = 4 моль/ .)

205. В какую сторону сместится равновесие реакции  при повышении температуры, при дополнительном введении , при повышении давления?

206. При некоторой температуре равновесные концентрации в системе 2SO₂ + O₂ Û 2SO₃ составляли соответственно [SO₂] = 0,04 моль/ ; [О₂] = 0,06 моль/ ; [SO₃] = 0,02 моль/ . Вычислите константу равновесия и исходные концентрации SO₂ и О₂. Как нужно изменить давление, чтобы увеличить выход SO₃?

207. Как изменится скорость реакции , если увеличить давление в системе 2 раза; уменьшить объем системы 3 раза; повысить концентрацию NO в 3 раза?

208. Вычислить константу равновесия реакции , если равновесная смесь в объеме 10  содержит 1,6 г водорода, 93,6 г брома и 377,6 г бромоводорода.

209. При некоторой температуре константа равновесия реакции  равна 0,5. Определите равновесную концентрацию , моль/ , если начальная [СО] – 6 моль/ . (Ответ: 2 моль/ .)

210. Определите скорость реакции , если константа скорости 0,5, а концентрации исходных веществ, моль/ : аммиака – 1, кислорода – 2. (Ответ: 4 моль/ .)