Химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях, называются обратимыми
Например: H2 + Cl2 = 2HCl (t = 200 °C) Реакция необратимая, идет до конца. Н2 + I2 ↔ 2HI (t = 200 °C) Реакция обратимая, до конца не идет. В уравнении обратимой реакции всегда ставятся двойные стрелки (↔). Изменение концентраций реагентов (исходных веществ) и продуктов обратимой реакции во времени может быть представлено следующим графиком: Как видим из графика, концентрации исходных веществ уменьшаются, а концентрации продуктов реакции увеличиваются. Выражения скоростей прямой и обратной реакций согласно закону действующих масс имеют вид:
Скорость прямой реакции со временем будет уменьшаться, а скорость обратной реакции - увеличиваться. Наступит такой момент, когда скорости прямой и обратной реакций выровняются: = Состояние реакции, в котором скорость обратной реакции становится равной скорости прямой реакции, называется химическим равновесием. Состояние равновесия имеет динамический характер. Признаки химического равновесия: 1. Наличие всех реагентов в системе; 2. Постоянство их концентраций во времени; 3. Возможность подойти к состоянию равновесия как со стороны прямой реакции, так и со стороны обратной реакции. Начиная с момента равновесия концентрации всех веществ (реагентов и продуктов реакции) будут оставаться неизменными. Концентрации веществ, соответствующие состоянию равновесия, называются равновесными и обозначаются в виде квадратных скобок: [ ] Для рассматриваемой выше реакции, находящейся в состоянии равновесия, приравниваем скорости примой и обратной реакций: Преобразуя полученное выражение, получим уравнение, представляющее собой математическое выражение закона действующих масс при химическом равновесии. Для условной обратимой реакции аА + bВ сС + dD закон действующих масс записывается следующим образом: Kравн - константа равновесия, представляет собой отношение констант скоростей прямой и обратной реакций, не зависит от концентраций веществ, но зависит от температуры и природы реагирующих веществ. При данной температуре константа равновесия является постоянной величиной. Итак, константа равновесия равна отношению произведения равновесных концентраций продуктов реакции к произведению равновесных концентраций исходных веществ, взятых в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции. Примеры: 1. 2SO2(г) + O2(г) ↔ 2SO3(г) 2. СО2(г) + Н2О(ж) ↔ Н2СО3(ж) (реакция гетерогенная) 3. Ti(тв) + 2I2(г) ↔ TiI4(г) (реакция гетерогенная) В гетерогенных реакциях в выражения константы равновесия входят концентрации только газовых компонентов. Для реакций с участием газов константа равновесия может выражаться через парциальные давления (обозначается символом Кр). Пример. H2(г) + I2(г) ↔ 2НI(г) Значение константы равновесия определяет выход реакции. Выходом реакции называют отношение количества получаемого в действительности продукта к тому количеству, которое получилось бы при протекании реакции до конца (или по расчёту). Выход реакции обычно выражается в процентах. Так, при Kравн>> 1 выход реакции велик, поскольку в этом случае [C]c [D]d >> [A]a [B]b При Kравн << 1 выход реакции мал. Примеры задач на равновесие. Пример 1. Исходные концентрации водорода и иода в реакции H2(г) + I2(г) ↔ 2HI(г) равны 1,5 моль/л и 0,9 моль/л соответственно. Вычислите константу равновесия, если известно, что к моменту равновесия прореагировало 40 % Н2. Решение. При решении задач на равновесие удобно использовать табличную форму записи. Записываем уравнение реакции и под ним составляем таблицу, состоящую из трех строк. H2(г) + I2(г) ↔ 2HI(г)
В первой строке таблицы будем записывать исходные концентрации реагентов (или исходных веществ). Во второй строке - изменение концентраций исходных веществ и продуктов реакции к моменту достижения состояния равновесия. В третьей строке - равновесные концентрации всех веществ. Заполнение таблицы происходит постепенно. По условию задачи даны исходные концентрации водорода и иода, поэтому, заполняя таблицу, в первой строке второй графы под формулами веществ H2 и I2 ставим значения их исходных концентраций. А под формулой вещества HI ставим цифру “0”, т.к. в начальный момент времени иодоводорода не было. По условию задачи к моменту равновесия прореагировало 40 % водорода. Изменение концентрации H2 составило: 1,5 · 0,4 = 0,6 моль/л Проставим это значение в таблице во второй строке под водородом. Руководствуясь уравнением реакции, вычислим изменение концентрации иодоводорода к моменту достижения состояния равновесия: 1 моль Н2 прореагировал с 1 моль I2 0,6 моль Н2 прореагирует с х моль I2 , отсюда х = 0,6 моль I2 на 1 моль Н2 получено 2 моля НI на 0,6 моль Н2 получено х моль НI , отсюда х = 1,2 моль HI Запишем полученные значения (0,6 и 1,2) в таблице во второй строке под формулами веществ I2 и HI. Далее подсчитаем равновесные концентрации водорода, иода и иодаводорода и проставим их значения в таблице в третьей строке. [H2] = 1,5 - 0,6 = 0,9 моль/л [I2] = 0,9 - 0,6 = 0,3 моль/л [HI] = 0 + 1,2 = 1,2 моль/л Поставив значения равновесных концентраций в выражение константы равновесия, получим: Ответ: константа равновесия равна 5,33. Пример 2. Равновесие реакции N2 + 3H2 ↔ 2NH3 устанавливается при следующих концентрациях участвующих в них веществ: [N2] = 0,01 моль/л, [H2] = 2,0 моль/л, [NH3] = 0,4 моль/л. Вычислите константу равновесия и исходные концентрации азота и водорода. Решение. Записываем уравнение реакции и под ним составляем таблицу. N2 + 3H2 ↔ 2NH3
По условию задачи даны равновесные концентрации азота, водорода и аммиака. Вносим значения этих концентраций в третью строку таблицы под соответствующими веществами. Запишем в таблице в первой строке исходную концентрацию аммиака, равную “нулю”. Исходя из того, что аммиака вначале реакции не было, а равновесная концентрация его равна 0,4 моль/л, то делаем вывод, что аммиака получено в ходе реакции 0,4 моль/л. Записываем это значение в таблице во второй строке под формулой NH3. Зная это значение и исходя из уравнения реакции, подсчитаем изменение концентрации азота и водорода. Для этого составим пропорции: на 1 моль N2 приходится 2 моля NH3 на х моль N2 придется 0,4 моля NH3 , отсюда х = 0,2 моль/л N2 на 3 моля Н2 приходится 2 моля NH3 на х моль Н2 придется 0,4 моля NH3 , отсюда х = 0,6 моль/л Н2 Вносим полученные данные в таблицу во вторую строку под формулами N2и H2. Далее подсчитываем исходные концентрации азота и водорода: Исходная концентрация N2: 0,01 + 0,2 = 0,21 моль/л Исходная концентрация H2: 2,0 + 0,6 = 2,6 моль/л Подсчитаем константу равновесия. Ответ: Kравн = 2; моль/л; = 2,6 моль/л Пример 3. Рассчитайте равновесные концентрации веществ, участвующих в реакции СО + Н2О ↔ СО2 + Н2, если исходные концентрации веществ равны: = 0,1 моль/л, = 0,4 моль/л, а константа равновесия при данной температуре равна 1. Решение. Записываем уравнение реакции и под ним составляем таблицу. СО + H2О ↔ СО2 + Н2
По условию задачи даны исходные концентрации веществ СО и Н2О. Вносим значения этих концентраций в таблицу в первую строку под веществами СО и Н2О, а под продуктами реакции СО2 и Н2 проставляем “нули”. Далее, поскольку других данных в условии задачи нет (кроме константы равновесия), то задаемся некоторой величиной (обозначим её “а”), считая, что а - это количество вещества СО, израсходованного к моменту равновесия (в моль/л). Проставим величину “а” в таблице во второй строке под веществом СО. Далее можно найти, сколько прореагировало вещества Н2О к моменту равновесия, и сколько получено веществ СО2 и Н2 к моменту равновесия. Найти эти величины можно, исходя из коэффициентов в уравнении реакции. Коэффициенты в уравнении реакции перед всеми веществами равны “единицы”. Это значит, согласно закону стехиометрии, на 1 моль СО будет израсходован 1 моль Н2О и будет получено по 1 молю СО2 и Н2. А на “а” моль СО будет израсходовано “а” моль Н2О и получено по “а” моль СО2 и Н2. Проставляем значение ‘а” в таблице во второй строке под веществами Н2О, СО2 и Н2. Равновесные концентрации для исходных веществ будут уменьшены на величину “а”, а для продуктов реакции будут равны величине “а”. Проставляем в таблице выражения равновесных концентраций в третьей строке. Записываем выражение константы равновесия для данной реакции: Подставляем выражения равновесных концентраций в данную формулу. По условию задачи Кравн равна 1. Получаем уравнение с одним неизвестным. Решая уравнение, находим величину “а”. а = 0,08 Таким образом, равновесные концентрации веществ будут равны: [CO] = 0,1 - 0,08 = 0,02 моль/л; [H2O] = 0,4 - 0,08 = 0,32 моль/л; [CO2] = 0,08 моль/л; [H2] = 0,08 моль/л. Ответ: 0,02; 0,32; 0,08; 0,08 (моль/л)
Популярное: Почему двоичная система счисления так распространена?: Каждая цифра должна быть как-то представлена на физическом носителе... Модели организации как закрытой, открытой, частично открытой системы: Закрытая система имеет жесткие фиксированные границы, ее действия относительно независимы... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (1436)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |