Если на систему, находящуюся в равновесии, оказать какое-либо воздействие, то в результате протекающих в ней процессов равновесие сместится в таком направлении, что оказанное воздействие уменьшится.

Гетерогенное химическое равновесие также подчиняется принципу Ле Шателье, но твердые исходные вещества и продукты реакции не влияют на смещение гетерогенного химического равновесия.

Решение типовых задач

Пример 1. Вычислить равновесные концентрации водорода и йода, если известно, что их начальные концентрации составляли по 0,02 моль/л, а равновесная концентрация НI – 0,03 моль/л. Вычислить константу равновесия.

Решение. Из уравнения реакции

видно, что на образование 0,03 моля НI расходуется 0,015 моля водорода и столько же йода, следовательно, их равновесные концентрации равны и составляют 0,02 - 0,015 = 0,005 моль/л, а константа равновесия

.

Пример 2. В системе  равновесные концентрации веществ =0,3 моль/л, =0,2 моль/л и =1,2 моль/л. Вычислить константу равновесия системы и начальные концентрации хлора и окиси углерода.

Решение. Из уравнения реакции видно, что для образования 1,2 моля  расходуется по 1,2 моля  и . Следовательно, исходная концентрация хлора 0,3 + 1,2 = 1,5 моль/л, окиси углерода 0,2 + 1,2 = 1,4 моль/л. Константа равновесия

Пример 3. Во сколько раз возрастет скорость реакции взаимодействия оксида углерода (II) с кислородом, если концентрации исходных веществ увеличить в три раза?

Решение. 1) Записываем уравнение реакции:

Согласно закону действующих масс

2) Обозначим , тогда:

3) При повышении концентрации исходных веществ в 3 раза получим:

, а

4) Рассчитываем скорость реакции :

, а

, т.е. скорость реакции возрастет в 27 раз.

Пример 4. Во сколько раз возрастет скорость химической реакции при повышении температуры на 40˚С, если температурный коэффициент скорости реакции равен 3?

Решение. Согласно правилу Вант – Гоффа:

, т.е. скорость реакции возрастет в 81 раз.

Пример 5. Реакция при температуре 30˚С протекает за 2 минуты. За сколько времени закончится эта реакция при температуре 60˚С, если температурный коэффициент скорости равен 2?

Решение. 1) В соответствии с правилом Вант – Гоффа:

2) Скорость реакции обратно пропорциональна времени реакции, следовательно:

Пример 6. Реакция образования оксида азота (IV) выражается уравнением

.

Как изменится скорость прямой и обратной реакций, если увеличить давление в 3 раза, а температуру оставить постоянной? Вызовет ли это изменение скорости смещение равновесия?

Решение. Пусть до увеличения давления равновесные концентрации оксида азота (II), кислорода и оксида азота (IV) были: [NO] = a, [O₂] = b,

[NO₂] = c, тогда скорость прямой реакции

,

скорость обратной реакции

.

При увеличении давления в 3 раза во столько же раз увеличатся концентрации всех реагентов: [NO] = 3a, [O₂] = 3b, [NO₂] = 3c.

Скорость прямой реакции станет:

 

Скорость обратной реакции станет:

.

Скорость прямой реакции возросла в 27 раз, а обратной – в 9 раз. Равновесие сместится в сторону прямой реакции, что согласуется с принципом Ле Шателье.

Пример 7. Как влияют на равновесие в системе

, (ΔН<0)

а) понижение давления;

б) повышение температуры;

в) увеличение концентрации исходных веществ?

Решение. Согласно принципу Ле Шателье понижение давления приведет к смещению равновесия в сторону реакции, приводящей к увеличению ее объема, т.е. в сторону обратной реакции. Повышение температуры приведет к смещению равновесия в сторону эндотермической реакции, т.е. в сторону обратной реакции. И, наконец, увеличение концентрации исходных веществ приведет к смещению равновесия в сторону образования продуктов реакции, т.е. в сторону прямой реакции.

Пример 8. Рассмотрим химическое равновесие

Определим равновесные концентрации NH₃ для двух равновесных смесей:

1. [N₂] = 0,1 M и [H₂] = 0,1 M.

2. [N₂] =1,0 M и [H₂] = 0,1 M.

Константа равновесия К = 6,0 ∙ 10^-2 при 525 ˚С

Решение. Составим выражение для константы химического равновесия, подставим в него известные величины и произведем вычисления.

Первый вариант химического равновесия:

 откуда

Второй вариант химического равновесия

 откуда

Вывод. При увеличении в равновесной смеси концентрации N₂ (реагента) повышается концентрация NH₃ (продукта реакции).

4.8. Задачи для самостоятельного решения

1. Во сколько раз следует увеличить концентрацию водорода в системе

,

чтобы скорость реакции возросла в 125 раз?

2. Как изменится скорость реакции

если давление в системе увеличить в два раза?

3. Реакция между оксидом азота (II) и хлором протекает по уравнению

;

как изменится скорость реакции при увеличении:

а) концентрации оксида азота в два раза;

б) концентрации хлора в два раза;

в) концентрации обоих веществ в два раза?

4. При 150˚С некоторая реакция заканчивается за 16 минут. Принимая температурный коэффициент равным 2,5, рассчитайте, через какой период времени закончится эта реакция при 80˚С.

5. При температуре 40˚С реакция протекает за 36 минут, а при 60˚С – за 4 минуты. Рассчитайте температурный коэффициент скорости реакции.

6. Скорость некоторой реакции при 100⁰С равна 1. Во сколько раз медленнее будет протекать та же реакция при 10⁰С (температурный коэффициент скорости принять равным 2)?

7. При охлаждении реакционной смеси с 50⁰ до 20⁰С скорость химической реакции уменьшилась в 27 раз. Вычислите температурный коэффициент этой реакции.

8. Составьте математическое выражение константы химического равновесия для каждой из следующих реакций:

Выполняя это задание, особо обратите внимание на то, что некоторые вещества – участники реакций – находятся в твердом состоянии.

9. Вычислить константу равновесия реакции

 

если равновесные концентрации равны

, .

10. Примените принцип Ле Шателье для предсказания условий, которые позволяют увеличить выход нижеприведенных реакций за счет смещения равновесия:

 (ΔН>0);

, (ΔН<0);

, (ΔН<0).

11. Среди приведенных реакций укажите те, для которых повышение давления смещает вправо химическое равновесие:

а) ;

б) ;

в) ;

г) ;

д) ;

е) .

12. При некоторой температуре константа равновесия процесса

 равна 1.

Начальные концентрации Н₂ и НСОН составляли 4 моль/л и 3 моль/л соответственно. Какова равновесная концентрация СН₃ОН?

13. Реакция протекает по уравнению 2А ↔ В. Исходная концентрация вещества А равна 0,2 моль/л. Константа равновесия реакции равна 0,5. Вычислите равновесные концентрации реагирующих веществ.

14. При некоторой температуре равновесная концентрация серного ангидрида, образующегося в результате реакции

,

составила 0,02 моль/л. Исходные концентрации сернистого газа и кислорода составляли, соответственно, 0,06 и 0,07 моль/л. Рассчитайте константу равновесия реакции.