Пример 4.

Равновесие системы 2SO₂ + O₂  2SO₃ установилось, когда концентрации компонентов (моль/л) были: [SO₂]_равн. = 0,6; [O₂]_равн. = 0,24; [SO₃]_равн. = 0,21.

Вычислите константу равновесия этой реакции и исходные концентрации кислорода и диоксида серы.

Решение.

Химическим равновесием называется такое состояние, когда скорости прямой и обратной реакций равны. Характеризуется химическое равновесие константой К, она имеет вид

aA + bB  cC + dD,

K= ([C]^c  [D]^d) / ([A]^a  [B]^b).

В условии задачи даны равновесные концентрации. Поэтому сразу можно рассчитать константу химического равновесия для реакции:

2SO₂ + O₂  2SO₃,

K = [SO₃]² / [SO₂]²  [O₂] = 0,21² / 0,6²  0,24 = 0,51.

Чтобы рассчитать исходные концентрации кислорода и диоксида серы, необходимо найти, сколько этих компонентов было израсходовано на получение 0,21 моля триоксида серы и сложить с равновесными концентрациями. Согласно уравнению реакции для получения 2 молей триоксида серы требуется 2 моля диоксида серы, а для получения 0,21 моля триоксида серы  Х молей диоксида серы. Отсюда

X = 0,21  2 / 2 = 0,21 моля.

Итак, [SO₂]_изр. = 0,21 моль/л.

На получение SO₃ было израсходовано 0,21 моля SO₂, тогда

[SO₂]_исх. = [SO₂]_равн. + [SO₂]_изр. = 0,6 + 0,21 = 0,81 моль/л,

[SO₂]_исх = 0,81 моль/л.

Для получения 2 молей SO₃ требуется 1 моль O₂.

Для получения 0,21 моля SO₃  X молей O₂.

X = (0,21  1) / 2 = 0,105 молей.

Итак, [O₂]_изр. = 0,105 моль/л.

[O₂]_исх. = [O₂]_равн. + [O₂]_изр. = 0,24 + 0,105 = 0,345 моль/л.

Пример 5.

В каком направлении сместится равновесие в реакциях:

1. CO_(г) + H₂O_(г)  CO_2(г) + H_2(г), H⁰ = 41,84 кДж;

2. N_2(г) + 3H_2(г)  2NH_3(г), H⁰ = 92,40 кДж;

3. H_2(г) + S_(тв)  H₂S_(г), H⁰ = 20,50 кДж,

при повышении температуры, понижении давления и увеличении концентрации водорода?

Решение.

Химическое равновесие в системе устанавливается при постоянстве внешних параметров (Р, С, Т и др. ) Если эти параметры меняются, то система выходит из состояния равновесия и начинает преобладать прямая или обратная реакции. Влияние различных факторов на смещение равновесия отражено в принципе Ле-Шателье: «Если на систему, находящуюся в равновесии, оказать какое-либо воздействие, то равновесие сместится в таком направлении, что оказанное воздействие уменьшится». Используем этот принцип для решения задачи.

При повышении температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, т. е. реакции, идущей с поглощением тепла. Первая и третья реакции  экзотермические (H⁰ < 0), следовательно, при повышении температуры равновесие сместится в сторону обратной реакции, а во второй реакции (H⁰ > 0)  в сторону прямой реакции.

При понижении давления равновесие смещается в сторону возрастания числа молей газов, то есть в сторону большего давления. В первой и третьей реакциях в левой и правой частях уравнения одинаковое число молей газов (22 и 11 соответственно). Поэтому изменение давления не вызовет смещения равновесия в системе. Во второй реакции в левой части 4 моля газов, в правой  2 моля, поэтому при понижении давления равновесие сместится в сторону обратной реакции.

При увеличении концентрации компонентов реакции равновесие смещается в сторону их расхода. В первой реакции водород находится в продуктах и увеличение его концентрации усилит обратную реакцию, в ходе которой он расходуется. Во второй и третьей реакциях водород входит в число исходных веществ, поэтому увеличение его концентрации смещает равновесие в сторону прямой реакции, идущей с расходом водорода.