Смещение химического равновесия

Химическое равновесие сохраняется до тех пор, пока остаются неизменными условия, в которых система находится. Изменение условий (концентрация веществ, температура, давление) вызывает нарушение равновесия. Через некоторое время химическое равновесие восстанавливается, но уже в новых, отличных от предыдущих условиях. Такой переход системы из одного равновесного состояния в другое называется смещением (сдвигом) равновесия. Направление смещения подчиняется принципу Ле Шателье.

При увеличении концентрации одного из исходных веществ равновесие смещается в сторону большего расхода этого вещества, усиливается прямая реакция. Уменьшение концентрации исходных веществ смещает равновесие в сторону образования этих веществ, так как усиливается обратная реакция. Повышение температуры смещает равновесие в сторону эндотермической реакции, при понижении температуры – в сторону экзотермической реакции. Увеличение давления смещает равновесие в сторону уменьшения количеств газообразных веществ, то есть в сторону меньших объемов, занимаемых этими газами. Напротив, при понижении давления равновесие смещается в сторону возрастания количеств газообразных веществ, то есть в сторону больших объемов, образуемых газами.

П р и м е р 1.

Как повлияет увеличение давления на равновесное состояние следующих обратимых газовых реакций:

а) SO₂ + C1₂=SO₂CI₂;

б) Н₂ + Вr₂=2НВr.

Решение:

Используем принцип Ле Шателье, согласно которому повышение давления в первом случае (а) смещает равновесие вправо, в сторону меньшего количества газообразных веществ, занимающих меньший объем, что ослабляет внешнее воздействие возросшего давления. Во второй реакции (б) количество газообразных веществ, как исходных, так и продуктов реакции, равны, как равны и занимаемые ими объемы, поэтому давление не оказывает влияния и равновесие не нарушается.

П р и м е р 2.

В реакции синтеза аммиака (–Q) 3Н₂ + N₂ = 2NН₃ + Q прямая реакция экзотермическая, обратная – эндотермическая. Как следует изменить концентрацию реагирующих веществ, температуру и давление для увеличения выхода аммиака?

Решение:

Для смещения равновесия вправо необходимо:

а) увеличить концентрации Н₂ и N₂;

б) понизить концентрацию (удаление из сферы реакции) NH₃;

в) понизить температуру;

г) увеличить давление.

П р и м е р 3.

Гомогенная реакция взаимодействия хлороводорода и кислорода обратима:

4НС1 + O₂ = 2С1₂ + 2Н₂O + 116 кДж.

1. Какое влияние на равновесие системы окажут:

а) увеличение давления;

б) повышение температуры;

в) введение катализатора?

Решение:

а) В соответствии с принципом Ле Шателье повышение давления приводит к смещению равновесия в сторону прямой реакции.

б) Повышение t° приводит к смещению равновесия в сторону обратной реакции.

в) Введение катализатора не смещает равновесия.

2. В каком направлении сместится химическое равновесие, если концентрацию реагирующих веществ увеличить в 2 раза?

Решение:

Начальные скорости прямой и обратной реакций следующие:

υ^→ = k^→[HCl]₀²[O₂]₀²; υ₀^← = k^←[H₂O]₀²[Cl₂]₀²

После увеличения концентраций скорость прямой реакции стала:

υ^→ = k^→[2HCl]⁴[2O₂] = 32 k^→[HCl]₀⁴[O₂]₀

то есть возросла по сравнению с начальной скоростью в 32 раза. Аналогичным образом скорость обратной реакции возрастает в 16 раз:

υ^← = k^←[2H₂O]²[2Cl₂]² = 16k^←[Н₂O]₀²[С1₂]₀².

Увеличение скорости прямой реакции в 2 раза превышает увеличение скорости обратной реакции: равновесие смещается вправо.

П р и м е р 4.

Вкакую сторону сместится равновесие гомогенной реакции:

PCl₅ = РС1₃ + Сl₂ + 92 КДж,

если повысить температуру на 30 °С, зная, что температурный коэффициент прямой реакции равен 2,5, а обратной – 3,2?

Решение:

Поскольку температурные коэффициенты прямой и обратной реакций не равны, повышение температуры по-разному скажется на изменении скоростей этих реакций. Пользуясь правилом Вант-Гоффа (1.3), находим скорости прямой и обратной реакций при повышении температуры на 30 °С:

υ^→(t₂) = υ^→(t₁) = υ^→(t₁)2,5^0,1·30 = 15,6υ^→(t₁);

υ^←(t₂) = υ^← (t₁) = υ^→(t₁)3,2^0,1·30 = 32,8υ^← (t₁)

Повышение температуры увеличило скорость прямой реакции в 15,6 раза, обратной – в 32,8 раза. Следовательно, равновесие сместится влево, в сторону образования РСl₅.

П р и м е р 5.

Как изменятся скорости прямой и обратной реакций в изолированной системе С₂Н₄ + H₂ ⇄ С₂Н₆ и куда сместится равновесие при увеличении объема системы в 3 раза?

Решение:

Начальные скорости прямой и обратной реакций следующие:

υ₀ = k[C₂H₄]₀ [H₂]₀; υ ₀ = k[C₂H₆]₀.

Увеличение объема системы вызывает уменьшение концентраций реагирующих веществ в 3раза, отсюда изменение скорости прямой и обратной реакций будет следующим:

υ ₀ = k[1/3 С₂Н₄] [1/3Н₂] = 1/9υ₀

υ = k[1/3C₂H₅] = 1/3υ₀

Понижение скоростей прямой и обратной реакций неодинаково: скорость обратной реакции в 3 раза (1/3: 1/9 = 3) превышает скорость обратной реакции, поэтому равновесие сместится влево, в сторону, где система занимает больший объем, то есть в сторону образования С₂Н₄ и Н₂.

 

Основная литература

Ерохин Ю. М. Химия (СПО), 15-е издание. М.: «Академия», 2010

Ахмедова Т. И., Мосягина О.В. Естествознание. Учебное пособие. М.: РАП, 2012

Ахмедова Т. И., Мосягина О.В. Естествознание. CD. М.: РАП, 2013

Глинка Н. А. Общая химия. Ленинград: Химия, 1988.

Дополнительная литература

Ахмедова Т. И. Химия. Теоретические основы курса. Учебное пособие. М.: РАП, 2006

Габриелян О. С., Остроумов И. Г. Химия (СПО), 7-е издание. М.: «Академия», 2011

Габриелян О. С., Остроумов И. Г. Химия (для профессий и специальностей социально-экономического и гуманитарного профилей. М.: «Академия», 2010

Кузнецова Н.Е., Гара Н.Н. Химия 10. М.: ВЕНТАНА-ГРАФ, 2008

Кузнецова Н.Е., Гара Н.Н. Химия 11. М.: ВЕНТАНА-ГРАФ, 2008

Рудзитис Г. Е., Фельдман Ф. Г. Химия. Учебник для 10 класса общеобразоват. учрежд. М.: Просвещение, 2010

Рудзитис Г. Е., Фельдман Ф. Г. Химия. Учебник для 11 класса общеобразоват. учрежд. М.: Просвещение, 2010

Степин, Б. Д., Аликберова, Л. Ю. Книга по химии для домашнего чтения. Научно-популуярная литература. – М.: Химия, 1994.

Браун, Т., Лемей, Г. Химия в центре наук. – М.: Мир, 1985.

Бабич, Л. В., Балезин, С. А., Гликина, Ф. Б. и др. Практикум по неорганической химии. – М.: Просвещение, 1978.

Дьякович, С. В. Методика факультативных занятий по химии. – М.: Просвещение, 1985.

Кузьменко, Н. Е., Еремин В. В. Химия. Пособие для средней школы 8–11 классы. – М.: Экзамен. Оникс 21 век, 2001.

Мильчев, В. А., Ковалева З. С. Типовые расчетные задачи по химии для учащихся 9 классов на базе учебного стандарта. – М.: Аркти, 2002.

Хомченко, Г. П., Хомченко, И. Г. Сборник задач по химии для поступающих в вузы. – М.: Новая волна, 1996.

Интернет – источники

http://www.polnaja-jenciklopedija.ru/nauka-i-technika/chimicheskie-reaktsii.html

http://prosto-o-slognom.ru/chimia/18_chim_reak.html

http://www.yaklass.ru/materiali?mode=lsntheme&themeid=147

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A5%D0%B8%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D1%80%D0%B5%D0%B0%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F

http://www.xumuk.ru/

http://www.alhimikov.net/elektronbuch/Page-13.html