Химическое равновесие

Теоретические сведения

Понятие «химическое равновесие» применимо только к обратимым реакциям. Химическим равновесием называют такое состояние реагирующей системы, при котором скорость прямой реакцииравна скорости обратной реакции . Равенство является кинетическим условием химического равновесия.

Химическое равновесие характеризуется постоянством величин энергии Гиббса системы G_T. Равенство ΔG_T = 0 является термодинамическим условием химического равновесия.

Химическое равновесие характеризуется постоянным для данных условий соотношением равновесных концентраций всех веществ, участвующих во взаимодействии.

Величина, равная отношению произведения равновесных концентраций продуктов реакции к произведению равновесных кон­центраций исходных веществ, взятых в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам, называется константой равновесия. Для обратимой реакции

Н_2(г) + I_2(г)↔2HI_(г)

константа равновесия имеет вид

или ,

где К_С, К_Р – константы равновесия в случае отношения молярных концентраций и парциальных давлений соответственно; [HI], [H₂], [I₂] – равновесные молярные концентрации;,- парциальные давления.

Константа равновесия зависит от природы реагентов, температуры и не зависит от исходной концентрации веществ в сиcтеме. Показывает на сколько скорость прямой реакции больше скорости обратной; характеризует глубину протекания процесса.

Константа равновесия связана со стандартной энергией Гиббса данной реакции () следующим соотношением

= – RTlnK_С

где R – универсальная газовая постоянная [8,31 Дж/(моль^.К)]; Т – абсолютная температура, К; К_С — константа равновесия.

Если К_С > 1 (ΔG < 0), то в равновесной системе преобладают продукты реакции, а если К_С < 1 (ΔG > 0), то в равновесной системе преобладают исходные вещества.

Химическое равновесие остается неизменным до тех пор, пока постоянны параметры (p,T,C_M), при которых оно установилось. При изменении условий равновесие нарушается. Через некоторое время в системе вновь наступает равновесие, характеризующееся новым равенством скоростей и новыми равновесными концентрациями всех веществ.

В общем случае, направление смещения равновесия определяется принципом Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказать внешнее воздействие, то равновесие сместится в сторону, противодействующую этому воздействию.

1. При увеличении концентрации реагирующих веществ, равновесие сместится в сторону продуктов реакции, а при уменьшении концентрации исходных веществ – в сторону их образования.

2. При увеличении общего давления в системе равновесие смещается в сторону меньшего числа моль газообразных веществ, а при уменьшении – в сторону большего числа моль газообразных веществ.

3. Увеличение температуры в системе смещает равновесие в сторону эндотермической реакции, а уменьшение – в сторону экзотермической реакции.

Задачи

150. (Р.351) Константа равновесия реакции

N₂ + ЗН₂  2NH₃,

K_С = 0,1 при 673 К. Равновесные концентрации (моль/л): С(Н₂) = 0,6 и С(NH₃) = 0,18. Вычислите начальную и равновесную концентрации азота.

Ответ: 1,50 моль/л, 1,59 моль/л.

151. (Р.352) Определите равновесную концентрацию водорода в реакции:

2HI  I₂ + Н₂,

если исходная концентрация HI составляет 0,55 моль/л, а константа равновесия K_С = 0,12.

Ответ: 0,11 моль/л.

152. (Р.353) При некоторой температуре константа равновесия термической диссоциации

N₂O₄  2NO₂,

K_С = 0,26. Равновесная концентрация NO₂ равна 0,28 моль/л. Вычислите равновесную и первоначальную концентрации N₂O₄. Какая массовая доля в % этого вещества продиссоциировала к моменту установления равновесия?

Ответ: 0,44 моль/л, 31,8 %.

153. (Р.354) При синтезе фосгена имеет место равновесие реакции

Cl₂ + CO  COCl₂.

Определите исходные концентрации хлора и оксида углерода, если равновесные концентрации равны (моль/л): С(Cl₂) = 2,5; С(CO) = 1,8; С(COCl₂) = 3,2.

Ответ: 5,0 моль/л, 5,7 моль/л.

154. (Р.356) В состоянии равновесия системы

CO₂ + H₂  CO + H₂O.

Реакционная смесь имела объемный состав: 22 % CO₂, 41 % H₂, 17 % CO, 20 % H₂O. Вычислите К_Р и К_С для этой реакции при 1900 К и давлении 98 501 Па.

Ответ: 0,38.

155. (Р.358) Реакция синтеза аммиака

N₂ + ЗН₂  2NH₃,

протекает при 723 К. Константа равновесия при этой температуре равна К_Р = 5,34 × 10^–8. Определите парциальное давление аммиака, если парциальное давление азота и водорода соответственно равно 65 717 и 20 380 Па.

Ответ: 1,75 × 10⁵ Па.

156. (Р.360) При 873 К константа равновесия К_С реакции

Cl₂ + CO  COCl₂

равна 12,12. Вычислите реакции при этой температуре.

Ответ: 1,67 × 10^-6 .

157. (Р.361) При нагревании протекает реакция

SO₂Cl₂  SO₂ + Cl₂.

При некоторой температуре из 1 моль SO₂Cl₂, находящегося в закрытом сосуде емкостью 20 л, разлагается 0,5 моль. Определите константу равновесия при этой температуре.

Ответ: 0,025.

158. (Р.364) образованияNH₃ равна –16,64 кДж/моль. Вычислите К_Р реакции

N₂ + ЗН₂  2NH₃,

для данной температуры.

Ответ: 8,06 × 10^-8.

159. (Р.365) Определите, будет ли при 525 К протекать реакция

4HCl + O₂  2H₂O + 2Cl₂,

если К_Р = 4,84 × 10^–3, а парциальные давления реагирующих веществ следующие: р(HCl) = р(O₂) = 10⁵ Па; р(H₂O) = р(Cl₂) = 10⁴ Па.

160. (Р.366) Вычислите К_Р реакции

2NO + Cl₂  2NOCl

при 298 К по следующим данным:

Вещество	NO	Cl2	NOCl
, кДж/моль	90,37	0,00	53,55
, Дж/(моль*К)	210,62	223,00	263,60

Ответ: 61,50.

161. (Р.367) Определите, может ли при 900 К протекать реакция

2SO₂ + O₂  2SO₃,

если К_Р = 2,043 × 10^–2, а исходные парциальные давления реагирующих веществ равны: р(SO₂) = 3 × 10^–4 Па; р(O₂) = 10^–4 Па; р(SO₃) = 1,5 × 10^–4 Па.

162. (Г.375) В каком направлении сместится равновесие системы

N₂ + ЗН₂  2NH₃, = –92 кДж/моль

при снижении температуры? Как объяснить, что на практике синтез аммиака ведут при повышенной температуре (не ниже 400 – 500 °С)?

163. (Г.376) В системе

N₂O₄  2NO₂

при 60 °С и стандартном давлении установилось равновесие. Во сколько раз следует уменьшить объем, чтобы давление возросло в два раза?

Ответ: В 2,17 раза.

164. (Г.377) В системе

N₂ + ЗН₂  2NH₃

при 200 °С и стандартном давлении установилось равновесие. Во сколько раз увеличится давление, если объем уменьшить в два раза?

Ответ: В 1,9 раза.

165. (Г.378) В системе

N₂ + ЗН₂  2NH₃

равновесие установилось при следующих концентрациях (в моль/л): С(H₂) = 3; С(N₂) = 2; С(NH₃) = 4. Рассчитайте равновесные концентрации после введения в 1 л смеси газов дополнительно 0,5 моль водорода.

Ответ: 3,17; 1,89; 4,22.