Методический материал по теме: «Смещение химического равновесия»

Методический материал по теме: «Смещение химического равновесия» 1. Смещение химического равновесия при изменении  концентрации реагирующих веществ В небольшом стаканчике смешать по 10 мл 0,001 н. растворов хлорида железа (III) FеСl3 и роданида калия К3СN. Написать уравнение этой обратимой реакции и выражение константы равновесия для нее.  Полученный   раствор   разлить   поровну   в   четыре пробирки.   В   первую   пробирку   добавить   немного концентрированного   раствора   хлорида   железа   (III), во вторую – концентрированного раствора роданида калия, в третью – немного кристаллического хлорида калия,   а   четвертую   пробирку   оставить   для сравнения. Сравнить цвета жидкостей в пробирках. По   изменению   интенсивности   окраски   судят   об изменении   концентрации   роданида   железа   (III) Fe(SCN)3, то есть о смещении равновесия. Объясните   изменение   цвета   на   основании   закона действия   масс.   Сместится   ли   равновесие   при разбавлении полученных растворов? 2. Влияние изменения температуры  на смещение химического равновесия Для   опыта   использовать   два   сообщающихся   сосуда   (рис.   2),   заполненных оксидом азота (IV). Оксид азота (IV) полимеризуется, и в результате обратимой реакции устанавливается равновесие:  2NO2 = N2О4 + 54,39 кДж NО2 – газ темно­бурого цвета, N2O4  – бледно­желтый, почти бесцветный газ. Поэтому по изменению окраски смеси этих газов можно судить об измененииконцентрации ее компонентов, то есть о смещении равновесия в сторону прямой или обратной реакции. Одну из колб прибора опустить в стакан с горячей водой, а другую – в стакан с холодной. Наблюдать изменение цвета газовой смеси в колбах. В какую сторону сместилось равновесие в каждой из колб? Вынуть сосуды из стаканов.   Как   изменяется   окраска   газа   в   этом   случае?   Дать   объяснение наблюдаемым явлениям, исходя из принципа Ле Шателье. 1. Написать математическое выражение скорости для следующих реакций: Упражнения и задачи Н2 + С12 = 2НС1 2Н2 + О2 = 2Н2О СuО + Н2 = Сu + Н2О 2. Чему равна константа скорости химической реакции? Каков физический смысл этой величины? 3. Как изменяется скорость реакции 2NO + O2 = 2NO2: а) при увеличении концентрации NO в два раза;  б) при одновременном увеличении концентрации NO и О2 в три раза? 4.   Во   сколько   раз   реакция   горения   серы   в   чистом   кислороде   должна протекать быстрее, чем в воздухе? 5.   Как   изменится   скорость   химической   реакции   2А   +   2В   =   С,   если концентрацию   одного   из   реагирующих   веществ   увеличить   в   три   раза,   а температуру  смеси понизить на 30 °С? Температурный коэффициент равен 2. 6. Написать математическое выражение константы химического равновесия для следующих реакций: N2 + 3H2 = 2NH3 2NO2 = N2O4 7. В какую сторону сместятся равновесия реакций: 2СО + O2 =2СO2 + 568,48 кДж 2SO2 + O2 = 2SO3 + 172,38кДж 2НВг = Н2 + Вг2 – 59,83 кДж 2N2 + O2 = 2N2O – 56,90 кДж а) при понижении температуры; б) при повышении давления?8.   Равновесие   реакции   Н2  +   I2  =   2HI   установилось   при   следующих концентрациях участвующих в ней веществ: [H2] = 0,3 моль/л, [I2] = 0,08 моль/л, [HI] = 0,35 моль/л. Определить исходные концентрации йода и водорода. 9. Скорость образования HI из йода и водорода при 443 °С в момент, когда [Н2] = [I2] = 1, составляет 1,5 ∙ 10–2 моль/с. Скорость распада йодоводорода при той   же   температуре   и   при   [Н2I]   =   1   составляет   3   ∙  10–4  моль/с.   Определить константу равновесия реакции при 443 °С. 10.   Исходные   концентрации   йода   и   водорода   при   синтезе   йодоводорода составляли каждая 1 моль/л. Вычислить равновесные концентрации веществ при 450 °С, если константа химического равновесия при этой температуре равна 50. 11. Определить константу равновесия реакции N2O4  = 2NO2, если исходная концентрация   N2О4  =   0,02   моль/л   и   к   моменту   равновесия   диссоциация   его составляет 60 %. 12. При некоторой температуре равновесные концентрации в системе 2SО2 + О2  = 2SО3  составляли соответственно: [SO2] = 0,04 моль/л, [О2] = 0,06 моль/л, [SО3] = 0,02 моль/л. Вычислить константу равновесия и исходные концентрации оксида серы (IV) и кислорода. Вычисление скорости реакции вследствие изменения  концентрации реагирующих веществ Зависимость   скорости   реакции   от   концентрации   реагирующих   веществ выражается   законом   действующих   масс:  скорость   химической   реакции   при постоянной   температуре   прямо   пропорциональна   произведению   молярных концентраций реагирующих веществ. Так,   для   гомогенной   реакции  mА  +  nВ    продукты   выражение   скорости реакции записывается:  υ  = k[A]m[B]n, где: [А], [В] – молярные концентрации реагирующих веществ, моль/л; m, n – стехиометрические коэффициенты уравнения реакции; k – коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости, не зависящей   от   концентрации   реагентов   и   постоянный   только   при   данной температуре. Начальные   (исходные)   молярные   концентрации   реагирующих   веществ   и продуктов реакции обозначаются [ ]0. П р и м е р 1. Гомогенная   реакция   между   уксусной   кислотой   и   спиртом   протекает   по уравнению:СН3ООН + С2Н5ОН = СН3СООС2Н5 + Н2O. Начальные концентрации кислоты и спирта соответственно равны 0,1 моль/л и 0,06 моль/л. Рассчитайте:  а) начальную скорость реакции;  б) скорость реакции, когда концентрация спирта уменьшится до 0,04 моль/л. Дано: а) [СН3СООН]0 = 0,1 моль/л  [С2Н5ОН]0 = 0,06 моль/л υ0 – ? б) [С2Н5ОН] = 0,04 моль/л υ – ? Решение: а)   Если   в   условии   задачи   не   указана   константа   скорости,   ее   величина принимается за единицу. υ0 = k[СН3СООН]0 [С2Н5ОН]0 = 1 ∙ [10–1] [6 ∙ 10–2] = 6 ∙ 10–3 моль/л∙с. б)   Кислота   и   спирт   реагируют   в   молярном   отношении   1:   1,   поэтому уменьшение   концентрации   спирта   на   0,02   моль   (0,06   –   0,04   =   =   0,02) соответствует начальному изменению концентрации кислоты до 0,08 моль/л (0,1 – 0,02 = 0,08). Скорость реакции в этом случае будет следующей: υ = k[СН3СООН] [С2Н5ОН] = 1 ∙ [8 ∙ 10–2] [4 ∙ 10–2] = 3,2 ∙ 10–3 моль/л∙с. Ответ: а) 6 ∙ 10–3 моль/л∙с;  б) 3,2 ∙ 10–3 моль/л∙с. П р и м е р 2. Реакция протекает по уравнению: Fe2O3(т) + ЗСО(г) = 2Fe(т) + 3СО2(г) Напишите   математическое   выражение   скорости   реакции   и   определите,   во сколько   раз   следует   увеличить   концентрацию   СО,   чтобы   скорость   реакции возросла в 125 раз по сравнению с начальной. Дано: υ = 125υ0 [СО] – ?  Решение: Твердая фаза характеризуется величиной поверхности, поэтому в выражении скорости гетерогенной реакции не фигурирует. υ0 = k[CO]0 3Константу скорости реакции принимаем за единицу:  125υ0 = [СО]0   или   [СО]0 =  3 125  = 5. Ответ: Начальную концентрацию оксида углерода (II) следует увеличить в 5 раз. П р и м е р 3. Определить   величину   константы   скорости   реакции,   протекающей   по уравнению 2А + В ⇄ С, если в некоторый момент времени при скорости реакции, равной   7,5   ∙   10–5  моль/л∙с,   концентрации   реагирующих   веществ   А   и   В   стали соответственно равны 0,05 моль/л и 0,1 моль/л. Дано: [A] = 0,05 моль/л [B] = 0,1 моль/л  υ = 7,5 ∙ 10–5 моль/л∙с k – ? Решение: Записываем   выражение   скорости   реакции   (1.2)   и   определяем   величину константы скорости реакции: υ = k[A]2 [B], k = υ /[A]2 [B] = 7,5 ∙ 10–5/[5 ∙ 10–2]2 [10–1] = 7,5 ∙ 10–5/25 ∙ 10–5 = 0,3. Ответ: 0,3.  Пример 4. Рассчитайте среднюю скорость гомогенной химической реакции CО2  + Н2  = СО + Н2О, если через 40 секунд после начала реакции молярная концентрация паров воды была равна 0,24 моль/л, а через 2 минуты стала равной 0,28 моль/л. Дано: с1 = 0,24 моль/л с2 = 0,28 моль/л t1 = 40 с t2 =2 мин (120 с) υ – ? Решение: Исходя из соотношения (1.1) находим среднюю скорость реакции: х = (с2 (Н2О) – с1(Н2О)) / (t1 – t2) =  = (0,28 – 0,24 ) / (120 – 40) = 5 ∙ 10–4 моль/ л∙с Ответ: 5 ∙ 10–4 моль/л∙с.Вычисление скорости реакции с газовыми компонентами вследствие изменения давления В  соответствии  с газовыми законами  изменение  давления  газовой  системы влечет   за   собой   изменение   ее   объема   и   концентраций   реагирующих   веществ. Исходя   из   схемы   р,  V,  [   ]  и   р,   V,   [   ]  ,  следует   помнить:   молярная концентрация   реагирующего   вещества   [   ]   увеличивается   во   столько   раз,   во сколько   раз   повышается   давление   р   или   понижается   объем   системы   V   и, наоборот,   понижению   молярной   концентрации   вещества   способствует эквивалентное понижение давления или увеличение объема системы. П р и м е р 1. Гомогенная   реакция   протекает   по   уравнению   2NO   +   О2  =   2NО2.   Как изменится скорость реакции, если:  а) повысить давление в системе в 3 раза;  б) увеличить объем системы в 2 раза? Дано: а) p в 3 раза б) V в 2 раза  υ0, υ – ? Решение: Записываем выражение начальной скорости реакции: υ0 = [NО]0 2[О2]0 а)   при   увеличении   давления   в   системе   в   3   раза   начальные   концентрации реагирующих веществ тоже увеличиваются в 3 раза, что приводит к увеличению скорости реакции: [NO] = [3NO]0;        [О2] =[3О2]; υ = k[NО]2[О2] = k[3NO]0 2[3О2]0 = 27υ0. б)   увеличение   объема   системы   приводит   к   понижению   концентраций реагирующих веществ в 2 раза: [NO] = [1/2NO]0;       [O2] = [1/2O2]0. и понижению скорости реакции v = k[NО]2[О2] = k[1/2NO]0 Ответ:  а) Скорость возрастет в 27 раз.  б) Скорость понизится в 8 раз. 2[1/2O2]0= υ0/8. П р и м е р 2. Взаимодействие алюминия с хлором протекает по уравнению: 2А1(Т) + ЗС12(г) =2А1С13(т)Начальная   концентрация   хлора   равна   0,05   моль/л.   Константа   скорости реакции   0,2.   Напишите   математическое   выражение   скорости   реакции   и определите, как изменится скорость реакции по сравнению с начальной, если давление в системе увеличить в 6 раз? Дано: [С12]0 = 0,05 моль  k = 0,2 p в 6 раз  υ0, υ – ? Решение: В   соответствии   с   выражением   (1.2)   определяем   начальную   скорость химической реакции: υ0 = k[C12]0 3 = 2 ∙ 10–1 [5 ∙ 10–2]3 = 2,5 ∙ 10–5 моль/л∙с. При   увеличении   давления   в   системе   увеличивается   концентрация   хлора   и возрастает скорость реакции: [С12] = [6С12]0 = 6 ∙ 5 ∙ 10–2 = 3 ∙ 10–1 моль/л. υ = k [С12]3 = 2 ∙ 10–1 [3 ∙ 10–1]3 = 5,4 ∙ 10–3 моль/л∙с. Ответ: υ0 = 2,5 ∙ 10–5 моль/л∙с; υ = 5,4 · 10–3 моль/л∙с. Пример 3. Реакция протекает по уравнению: 2Н2S(г) + SO2(г) = 3S(т) + 2Н2О(г) Начальные   концентрации   сероводорода   и   сернистого   газа   соответственно равны   0,5   моль/л   и   0,2   моль/л.   Константа   скорости   реакции   равна   1,2.   Как изменится скорость реакции по сравнению с начальной, если:  а) увеличить давление газовой смеси в 2 раза;  б) увеличить концентрацию сероводорода в 4 раза? Дано: [H2S]0 = 0,5 моль/л [SO2]0 = 0,2 моль/л k = 1,2 а) p в 2 раза б) [H2S] = [4H2S]0  υ0, υ – ? Решение: Рассчитываем начальную скорость реакции: υ0 = k [H2S]0 2 [SО2]0 = 1,2 [5 ∙ 10–1]2 [2 ∙ 10–1] = 6 ∙ 10–2 моль/л∙с.а) При  увеличении давления в системе увеличивается скорость реакции:  [H2S] = [2H2S]0 = 2 ∙ 0,5 = 1 моль/л, [SО2] = [2SО2]0 = 2 ∙ 0,2 = 0,4 моль/л, υ = k [H2S]2 [SО = 1,2[1]2[4 ∙ 10–1] = 4,8 ∙ 10–1моль/л∙с. б)   Увеличение   концентрации   одного   из   реагирующих   веществ   приводит   к увеличению скорости реакции: [H2S] = [4H2S]0 = 4 ∙ 0,5 = 2 моль/л, υ = k[H2S]2[SO2]0 = 1,2[2]2[2 ∙ 10–1] = 9,6 ∙ 10–1 моль/л∙с.  Ответ:  а) 4,8 ∙ 10–1 моль/л∙с;  б) 9,6 ∙ 10–1 моль/л∙с. Вычисление скорости реакции  вследствие изменения температуры Зависимость скорости реакции от температуры определяется правилом Вант­ Гоффа: υ(t2) = υ(t1) ∙ 0,1(t1 – t2) где:  υ(t2) – скорость реакции при температуре t2, до которой нагревалась или охлаждалась система; υ(t1) – скорость реакции при начальной температуре t1;  – температурный коэффициент, который показывает во сколько раз увеличивается скорость   реакции   при   повышении   температуры   на   каждые   10   °С   (для большинства реакций   = 2/4). П р и м е р 1. Во сколько раз увеличится скорость реакции при повышении температуры от 40 °С до 100 °С, принимая температурный коэффициент равным 2? Дано:  t1= 40 °С  t2 = 100 °С   = 2 υ(t2) – ? Решение: В соответствии с правилом Вант­Гоффа находим, во сколько раз изменится скорость реакции при увеличении температуры: υ(100°) = υ(40°) ∙ 20,1(100 – 40) = υ(40°) ∙ 26 = 64υ(40°). При   температуре   100   °С   скорость   реакции   возрастает   по   сравнению   со скоростью этой же реакции при 40 °С в 64 раза.Ответ: Увеличится в 64 раза. П р и м е р 2. Реакция при температуре 50 °С протекает за 2 мин 15 с. За какой период времени закончится эта реакция при температуре:  а) 70 °С;  б) 30 °С, если температурный коэффициент реакции равен 3? Дано: t1= 2 мин 15 с =135 с  = 3 а) t2 = 70 °С б) t2 = 30 °C Решение: а) Находим скорость реакции при 70 °С: υ(70°) = υ(50°) ∙ 30,1(70 – 50) = υ(50°) ∙ 32 = 9υ(50°) Скорость   реакции   при   повышении   температуры   на   20   °С   выше   начальной возрастет в 9 раз. С   другой   стороны,   скорость   реакции   обратно   пропорциональна   времени протекания   реакции,   следовательно,   при   70   °С   время   протекания   реакции сократится в 9 раз. t2 = t1/9 = 135 c/9 = 15 с. б)   Рассчитаем,   во   сколько   раз   скорость   реакции   при   50   °С   превышает скорость той же реакции при 30 °С: υ(50°) = υ(30°) ∙ 30,1(50 – 30) = υ(30°) ∙ 32 = 9υ(30°). Скорость реакции при 30 °С в 9 раз меньше скорости реакции при 50 °С, следовательно, время ее протекания в 9 раз больше: t2 = t1 ∙ 9= 135 c ∙ 9 = 1215 с = 20 мин 15 с. Ответ:  а) 15 с;     б) 20 мин 15 с. П р и м е р 3. При температуре 30 °С реакция протекает за 25 мин, при 50 °С – за 4 мин. Рассчитать температурный коэффициент реакции.  Дано: t1 = 30 °С t2 = 50 °С t1 = 25 минt2 = 4 мин  – ? Решение:  Исходим из соотношения (1.3): υ(50°) = υ(30°) · 0,1(50 – 30) = υ(30°)2  =   /)50(   )30( . Поскольку   скорость   реакции   есть   обратная   величина   времени   протекания реакции, рассчитываем температурный коэффициент реакции: t 1 t/ 2  4/25  5,2  =  Ответ:   = 2,5.