лек. 12 хим. равновесие
TRANSCRIPT
Лекция № 12.
2KClO3 = 2KCl + 3O2↑
3H2 + N2 2NH3
2H2 + O2 2H2O
Обратимость реакции отмечается знаком:
ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
Необратимые реакции – реакции, которые идут только в одном направлении:
ОБРАТИМЫЕ И НЕОБРАТИМЫЕ РЕАКЦИИ.
Обратимые реакции – те, которые протекают одновременно в двух противоположных направле-ниях:
ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
Рассмотрим обратимую реакцию
А + В Д + Е
υ = к ∙ CA∙CB;
В начальный момент времени (t = 0; Спрод = 0) скорость прямой реакции максимальна:υ
С течением времени уменьшается, – увеличивается.υ υ
υ = 0
Скорость обратимой реакции равна разности скоростей прямой и обратной реакций:
υ = υυ ‒
к ∙CД∙CЕυ = к ∙ CA∙CB ‒
время
υ
υ
υυυ =
Изменение скоростей прямой или обратной реакции во времени можно представить рисунком:
ИЗМЕНЕНИЕ СКОРОСТИ РЕАКЦИИ ВО ВРЕМЕНИХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
Состояние реагирующей системы, при котором скорости прямой и обратной реакций равны υ = υ
υ = υ
к [A] [B] = к [Д] [Е]
k / k = const = K – константа химического равновесия.
К =[Д] [Е]
[A] [B]
Приравнивая правые части выражений для
называется химическим равновесием
выражение закона действия масс для обратимых реакций:
k [Д] [Е]
k [A] [B]=
получим
закон действия масс(ЗДМ)
Отношение произведения равновесных концен-траций продуктов реакции к произведению равновесных концентраций исходных веществ, является величиной постоянной при Тº = const.
ФОРМУЛИРОВКА ЗДМ ДЛЯ ОБРАТИМЫХ РЕАКЦИЙ:
Для реакции, записываемой в общем виде
аА + bВ dД + еЕ
где [A], [B], [Д], [Е] – равновесные концентрации веществ A; B; Д; Е; а, b, d, е – стехиометрические коэффициенты. Кон-центрацию выражают в моль/л.
[Д]d [Е]е
К =[A]а [B]b
ЗАКОН ДЕЙСТВИЯ МАСС
Уравнение для константы равновесия выраженное через коцентрации веществ, справедливо только для реакций между газами (при Р = 101 кПа/, а также для равновесий в неконцентрированных растворах неэлектролитов и в сильно разбавленных растворах слабых электролитов. Для применения его к реакциям всех типов вводят понятие активности веществ (а).
а = f • C
аД • аЕ
аА• аВ
К =b
d е
а
КОНСТАНТА РАВНОВЕСИЯ И ЭНЕРГИЯ ГИББСА РЕАКЦИИ
Константа равновесия связана с изменением стандартной энергии Гиббса химической реакции (ΔG) уравнением:
ΔG = – R T lnK
СМЕШЕНИЕ РАВНОВЕСИЯ
При изменении условий (С; Р; tº) систему можно перевести из одного равновесного состояния в другое.
Переход реагирующей системы из одного равновесного состояния в другое называется смещением (сдвигом) химического равновесия.
Причиной смещения является неодинаковое влияние условий (С; Р; tº) на υ и υ.
ПРИНЦИП ЛЕ ШАТЕЛЬЕ
Принцип Ле Шателье: если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказывается внешнее взаимодействие (изменяется С, Р или tº), то равновесие смещается в сторону той реакции, которая противодействует этому воздействию.
Увеличение tº сдвигает равновесие в сторону эндотермической реакции.
Увеличение Р – в сторону реакции, идущей с уменьшением общего числа молекул газа.
Увеличение С исходного вещества – в сторону прямой реакции.
Увеличение С продуктов – способствует обратной реакции.
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Задача1. Запишите выражение для константы химического равновесия гетерогенной химической
реакцииН2(г) + I2(к) 2НI(г)
В каком направлении сместится равновесие данной химической реакции при увеличении общего давления в пять раз?
При увеличении общего давления в пять раз парциальные давления газообразных реагентов
водорода и иодида водорода увеличатся в пять раз. Скорость прямой реакции при этом увеличится в пять
раз, а скорость обратной реакции увеличится в 25 раз. Следовательно, равновесие в данной гетерогенной реакции сместится влево, количество получаемого
продукта иодида водорода уменьшится в пять раз.
Решение 1. Константу гетерогенного химического равновесия можно записать через (отношение
равновесных концентраций или равновесных парциальных давлений газообразных реагентов:Kp =
p2HI/pH2
Kc = [HI]2/[H]2
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Задача 2. Для гетерогенной химической реакции
рассчитайте значения равновесных концентраций реагентов, если исходная
концентрация водорода составляла 1 моль/л, Кс = 0,2.
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Н2(г) + I2(к) 2НI(г)
Решение 2. Пусть к моменту равновесия прореаги-ровало x моль/л водорода. Тогда, согласно
стехиометрическим коэффициентам уравнения химичес-кой реакции, образовалось 2х моль/л иодида водорода,
концентрация твердого реагента не изменилась.
Запишем константу гетерогенного химического равновесия через равновесные концентрации газо-
образных реагентов
Kc = [HI]2/[H2] = (2x)2 /(1-x) = 0,2
Решая квадратное уравнение, находим: х1 = 0,2; x2 = - 0,25. Отсюда, отбрасывая отрицательное значение х находим:
[Н2] = (1 - х) = 1 - 0,2 = 0,8 моль/л,
[HI] = 2х = 2 • 0,2 = 0,4 моль/л
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Задача 3. Зная исходные и равновесные концентрации газообразных реагентов гетеро-
генного химического процесса, определите изменение общего давления в реакторе к моменту
установления равновесия в системе
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Н2(г) + I2(к) 2НI(г)
если исходные концентрации сН2 = 40 моль/м3; а равновесные концентрации [Н2] = 10 моль/м3; [HI] = 60 моль/м3.
Решение 3. В исходной гетерогенной системе присут-ствовало одно газообразное вещество — водород, поэтому общее давление в системе определялось только парциальным давлением водорода. Используя основной газовый закон
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
p = cRT,
определим исходное парциальное давление водорода, равное общему давлению в исходной системе:
pобщ = pH2 = 40 • 8,31 • 400 = 133 кПа
В равновесной гетерогенной системе присутствуют два газа: водород и иодид водорода. Используя основной
газовый закон, находим:
рн2 = 10 • 8,31 • 400 = 33,3 кПа
рНI = 60 • 8,31 • 400 = 199,7 кПа
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Общее давление в равновесной гетерогенной системе определяется суммой равновесных парциальных
давлений входящих в нее газов и составляет:
pобщ = pH2 = рHI = 33,3 + 199,7 = 233 кПа.
5.1. Как изменится количество оксида магния MgO, получаемого в результате гетерогенной химической реакции
2Mg(K) + CO(г) ↔ 2MgO(K) + C(k)если концентрацию газообразного реагента СО уменьшить в 10 раз?
ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ
5.2. Как изменится количество кислорода, получаемого в результате гетерогенной химической реакции
2S(к) + 2Н2O(г) ↔ O2(г) + 2H2S(г)если концентрации всех газообразных реагентов уменьшить в 10 раз.
5.1 Уменьшится в 10 раз
5.2 Увеличится в 10 раз
ответы
5.3. Как изменится количество меди, получаемой в результате гетерогенной химической реакции
СuО(к) + Н2(г) ↔ Сu(к) + Н2O(г)при увеличении общего давления в системе в два раза?
5.4. Как изменится количество азота, получаемого в результате гетерогенной химической реакции
2CH4N2O(к) + 3O2(г) ↔ 2N2(г) + 2СО2(г) + 4Н2O(ж)при увеличении общего давления в системе в два раза?
ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ
5.3. Не изменится
5.4. Уменьшится в 2 раза
ответы
5.5. Как изменится общее давление в гетерогенной системе
2Аg(к) + Сl2(г) ↔ 2АgСl(к)если исходная концентрация хлора составляла 0,1 моль/л, а к моменту равновесия прореагировало 30% газа. Температура 400 К.
ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ
5.6. Как изменится общее давление в гетерогенной системе
С(к) + 2Н2O(г) ↔ СO2(г) + 2Н2(г)если исходная концентрация водяного пара составляла 0,1 моль/л, а к моменту равновесия прореагировало 30 % исходного газообразного вещества. Температура 400 К
5.5. Уменьшится на 99 кПа
5.6. Увеличится на 51 кПа
ответы
ЗАДАЧИ ПОВЫШЕННОЙ СЛОЖНОСТИ
5.7. Для гетерогенной химической реакции2S(к) + 2Н2O(г) ↔ O2(г) + 2H2S(k)
при 400 К константа равновесия Кс = 72. Какое давление установится в реакторе, если к моменту равновесия прореагирует 70 % паров воды? Как нужно изменить давление в системе для увеличения количества, получаемого по данной реакции кислорода в 10 раз?
5.8. В гетерогенной системеSi(к) + 2Н2O(г) ↔ SiО2(к) + 2Н2(г)
установилось равновесие с Кс = 0,1. Определите равновесные концентрации Н2O и Н2, если в начале реакции в реакторе объемом 20 л находилось 18 г паров воды.
5.7. 1,16∙105 Па. Уменьшится на 99 кПа
5.8. 0,04 моль/л, 0,01 моль/л
ответы
ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ
Напишите выражение константы гетерогенного химического равновесия для приведенной в таблице (см. ниже) равновесной химической реакции
Проведите анализ предложенной вам гетерогенной химической реакции:а) вычислите константу гетерогенного химического равновесия Kp при 298 К и 800 К, оцените, в какую сторону сместится равновесие данной системы при повышении температуры;
б) нарушится ли равновесие в изучаемой системе, если общее давление в реакторе увеличить в два раза?
Таблица. Уравнения реакции для расчета
Номер варианта
Реакция
1 2Ag(K) + С12 ↔ 2AgCl(K)
2 4Fe(K) + 3O2(к) ↔ 2Fe2O3(K)
3 Са(к) + 2Н2O(к) ↔ Са(ОН)2(к) + Н2(г)
4 FeO(K) + Н2O(г) ↔ Fe(OH)2(K)
5 3Si(K) + 2N2(г) ↔ Si3N4(K)
6 Mg(K) + 2H2O(г) ↔ Mg(OH)2(K) + H2(г)
7 FeO(K) + H2(г) ↔ Fe(K) + H2O(г)
8 FeO(K) + CO(г) ↔ Fe(K) + CO2(г)
9 2А1(к) + ЗС12(г) ↔2А1С13(к)
10 СаО(к) + Н2O(г) ↔ Са(ОН)2(к)
11 С(к) + 2Н2O(г) ↔ СO2(г) + 2Н2(г)
12 СаО(к) + СO2(г) ↔ СаСОз(к)
13 Mg(K) + O2(г) ↔ 2MgO(K)
14 2С(к) + O2(г) ↔ 2СО(г)
15 MgO(K) + СO2(г) ↔ MgCO3(K)
16 CuO(k) + Н2(г) ↔ Cu(k) + Н2O(г)
17 ZnO(K) + Н2(г) ↔ Zn(K) + Н2O(г)
18 2Mg(K) + СO2(г) ↔ 2MgO(K) + С(к)
19 S(K) + O2(к) ↔ S02(r)
20 2S(k) + 2Н2O(г) ↔ O2(г) + 2H2S(г)
Таблица. Уравнения реакции для расчета
Номер варианта
Реакция