Страница 304 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

11.80. Приведите пример обратимой реакции, в которой при добавлении водорода равновесие смещается вправо, а давление на положение равновесия не влияет. Объясните свой выбор.

Чтобы найти пример реакции, удовлетворяющей условиям, необходимо проанализировать эти условия с точки зрения принципа Ле Шателье.

1. При добавлении водорода равновесие смещается вправо. Это означает, что водород ($H_2$) должен быть в левой части уравнения, то есть являться реагентом. По принципу Ле Шателье, увеличение концентрации реагента смещает равновесие в сторону продуктов (вправо).

2. Давление на положение равновесия не влияет. Это означает, что реакция должна протекать без изменения общего числа молей газообразных веществ. То есть, сумма стехиометрических коэффициентов газообразных реагентов должна быть равна сумме стехиометрических коэффициентов газообразных продуктов.

Этим условиям удовлетворяет, например, реакция синтеза иодоводорода:

$$H_2\text{(г)} + I_2\text{(г)} \rightleftharpoons 2HI\text{(г)}$$

Объяснение выбора:

В данной обратимой реакции водород ($H_2$) является исходным веществом. При добавлении водорода его концентрация в системе увеличивается. В соответствии с принципом Ле Шателье, система стремится противодействовать этому изменению, и равновесие смещается в сторону реакции, в которой водород расходуется, то есть вправо, в сторону образования иодоводорода ($HI$).

Теперь рассмотрим влияние давления. Посчитаем количество молей газообразных веществ в левой и правой частях уравнения:

• Сумма молей газов-реагентов: $1 \text{ моль } H_2 + 1 \text{ моль } I_2 = 2 \text{ моль}$.
• Сумма молей газов-продуктов: $2 \text{ моль } HI$.

Изменение числа молей газов в ходе реакции ($\Delta n$) равно нулю:

$$\Delta n = 2 - (1+1) = 0$$

Поскольку реакция протекает без изменения общего числа молей газообразных веществ, изменение давления не вызывает смещения равновесия ни в одну из сторон.

Ответ: Примером реакции, удовлетворяющей условиям, является синтез иодоводорода: $H_2\text{(г)} + I_2\text{(г)} \rightleftharpoons 2HI\text{(г)}$. В этой реакции добавление водорода (реагента) смещает равновесие вправо, а давление не влияет на положение равновесия, так как число молей газообразных веществ до и после реакции одинаково (2 моль).

11.81. В реактор постоянного объёма ввели циклогексан и сильно нагрели. В реакторе установилось равновесие:

${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}\left(\mathrm{г}\right)\rightleftarrows {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_6\left(\mathrm{г}\right)+3{\mathrm{H}}_2\left(\mathrm{г}\right)$

Равновесные концентрации циклогексана и бензола составили 0,12 моль/л и 0,05 моль/л соответственно. Найдите исходную концентрацию ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}$ (X) и равновесную концентрацию ${\mathrm{H}}_2$ (Y).

Дано:

Уравнение реакции: $C_6H_{12}(г) \rightleftharpoons C_6H_6(г) + 3H_2(г)$

Равновесная концентрация циклогексана: $[C_6H_{12}]_{равн} = 0,12 \text{ моль/л}$

Равновесная концентрация бензола: $[C_6H_6]_{равн} = 0,05 \text{ моль/л}$

Найти:

Исходную концентрацию $C_6H_{12}$ (X) - ?

Равновесную концентрацию $H_2$ (Y) - ?

Решение:

Для решения задачи воспользуемся таблицей концентраций (начальная, изменение, равновесная). Обозначим исходную концентрацию циклогексана как $X$. Так как в реактор вводили только циклогексан, исходные концентрации продуктов реакции равны нулю.

Пусть концентрация $C_6H_6$, образовавшегося к моменту равновесия, равна $\Delta C$. Согласно стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции, при образовании $\Delta C$ бензола расходуется $\Delta C$ циклогексана и образуется $3 \cdot \Delta C$ водорода.

Тогда равновесные концентрации можно выразить следующим образом:

• $[C_6H_6]_{равн} = [C_6H_6]_{исх} + \Delta C = 0 + \Delta C = \Delta C$
• $[H_2]_{равн} = [H_2]_{исх} + 3 \cdot \Delta C = 0 + 3 \cdot \Delta C = 3 \cdot \Delta C$
• $[C_6H_{12}]_{равн} = [C_6H_{12}]_{исх} - \Delta C = X - \Delta C$

Найдите равновесную концентрацию H₂ (Y)

Из условия задачи известно, что равновесная концентрация бензола $[C_6H_6]_{равн}$ составляет $0,05 \text{ моль/л}$. Так как $[C_6H_6]_{равн} = \Delta C$, то изменение концентрации $\Delta C = 0,05 \text{ моль/л}$.

Теперь можем рассчитать равновесную концентрацию водорода (Y):

$Y = [H_2]_{равн} = 3 \cdot \Delta C = 3 \times 0,05 \text{ моль/л} = 0,15 \text{ моль/л}$.

Ответ: Равновесная концентрация $H_2$ (Y) составляет $0,15 \text{ моль/л}$.

Найдите исходную концентрацию C₆H₁₂ (X)

Исходная концентрация циклогексана (X) равна сумме его равновесной концентрации и концентрации, вступившей в реакцию ($\Delta C$).

$X = [C_6H_{12}]_{исх} = [C_6H_{12}]_{равн} + \Delta C$

Подставляем известные значения:

$X = 0,12 \text{ моль/л} + 0,05 \text{ моль/л} = 0,17 \text{ моль/л}$.

Ответ: Исходная концентрация $C_6H_{12}$ (X) составляет $0,17 \text{ моль/л}$.

11.82. В реактор постоянного объёма ввели толуол, небольшой избыток водорода и сильно нагрели. В реакторе установилось равновесие:

${\mathrm{C}}_7{\mathrm{H}}_8\left(\mathrm{г}\right)+{\mathrm{H}}_2\left(\mathrm{г}\right)\rightleftarrows {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_6\left(\mathrm{г}\right)+{\mathrm{CH}}_4\left(\mathrm{г}\right)$

Исходная концентрация толуола 0,15 моль/л, а равновесные концентрации водорода и метана составили 0,12 моль/л и 0,06 моль/л соответственно. Найдите равновесную концентрацию ${\mathrm{C}}_7{\mathrm{H}}_8$ (X) и исходную концентрацию ${\mathrm{H}}_2$ (Y).

Дано:

Уравнение реакции: $C_{7}H_{8}(г) + H_{2}(г) \rightleftharpoons C_{6}H_{6}(г) + CH_{4}(г)$
Исходная концентрация толуола $C_{исх}(C_{7}H_{8}) = 0,15 \text{ моль/л}$
Равновесная концентрация водорода $C_{равн}(H_{2}) = 0,12 \text{ моль/л}$
Равновесная концентрация метана $C_{равн}(CH_{4}) = 0,06 \text{ моль/л}$

Найти:

Равновесную концентрацию $C_{7}H_{8}$ (X) - ?
Исходную концентрацию $H_{2}$ (Y) - ?

Решение:

Из уравнения реакции видно, что стехиометрические коэффициенты всех реагентов и продуктов равны 1. Это означает, что вещества вступают в реакцию и образуются в мольном соотношении 1:1:1:1.

Исходные концентрации продуктов реакции, бензола ($C_{6}H_{6}$) и метана ($CH_{4}$), принимаем равными нулю, так как они не были введены в реактор изначально.

Равновесная концентрация метана составляет 0,06 моль/л. Следовательно, в ходе реакции образовалось 0,06 моль/л метана.
$\Delta C(CH_{4}) = C_{равн}(CH_{4}) - C_{исх}(CH_{4}) = 0,06 - 0 = 0,06 \text{ моль/л}$

Так как соотношение веществ 1:1:1:1, то концентрация прореагировавших толуола и водорода также составляет 0,06 моль/л.

Равновесная концентрация C₇H₈ (X)

Равновесная концентрация толуола (X) — это его исходная концентрация за вычетом концентрации прореагировавшего вещества.
$X = C_{равн}(C_{7}H_{8}) = C_{исх}(C_{7}H_{8}) - \Delta C_{прореаг.}(C_{7}H_{8})$
$X = 0,15 \text{ моль/л} - 0,06 \text{ моль/л} = 0,09 \text{ моль/л}$
Ответ: Равновесная концентрация C₇H₈ (X) равна 0,09 моль/л.

Исходная концентрация H₂ (Y)

Исходная концентрация водорода (Y) — это сумма его равновесной концентрации и концентрации прореагировавшего вещества.
$Y = C_{исх}(H_{2}) = C_{равн}(H_{2}) + \Delta C_{прореаг.}(H_{2})$
$Y = 0,12 \text{ моль/л} + 0,06 \text{ моль/л} = 0,18 \text{ моль/л}$
Ответ: Исходная концентрация H₂ (Y) равна 0,18 моль/л.

11.83. В реакторе постоянного объёма смешали метан и водяной пар в мольном соотношении 1 : 3. Через некоторое время установилось равновесие:

${\mathrm{CH}}_{4\left(\mathrm{г}\right)}+2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{\left(\mathrm{г}\right)}\rightleftarrows {\mathrm{CO}}_{2\left(\mathrm{г}\right)}+4{\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{г}\right)}$

(Температуру в ходе реакции поддерживали постоянной. Другие процессы в системе не протекают.) Исходная концентрация метана была равна 0,08 моль/л, а равновесная концентрация водорода составила 0,2 моль/л. Найдите равновесные концентрации ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ (X) и ${\mathrm{CO}}_2$ (Y).

Дано:

Уравнение реакции: $CH_{4(г)} + 2H_2O_{(г)} \rightleftharpoons CO_{2(г)} + 4H_{2(г)}$

Мольное соотношение исходных веществ: $n(CH_4) : n(H_2O) = 1 : 3$

Исходная концентрация метана: $C_{исх}(CH_4) = 0,08$ моль/л

Равновесная концентрация водорода: $C_{равн}(H_2) = 0,2$ моль/л

V = const, T = const

Найти:

Равновесную концентрацию $H_2O$ (X)

Равновесную концентрацию $CO_2$ (Y)

Решение:

1. Найдём исходные концентрации всех веществ. Поскольку реактор имеет постоянный объем, соотношение начальных концентраций реагентов равно их мольному соотношению.

$C_{исх}(CH_4) = 0,08$ моль/л.

Исходя из соотношения 1:3, исходная концентрация водяного пара:

$C_{исх}(H_2O) = 3 \times C_{исх}(CH_4) = 3 \times 0,08 = 0,24$ моль/л.

В начальный момент времени продукты реакции ($CO_2$ и $H_2$) отсутствуют, поэтому их исходные концентрации равны нулю:

$C_{исх}(CO_2) = 0$ моль/л.

$C_{исх}(H_2) = 0$ моль/л.

2. Обозначим концентрацию прореагировавшего метана ($CH_4$) как $x$ моль/л. Тогда, согласно стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции $CH_4 + 2H_2O \rightleftharpoons CO_2 + 4H_2$, изменения концентраций других веществ к моменту установления равновесия будут следующими:

• Концентрация прореагировавшего $H_2O$: $2x$ моль/л.
• Концентрация образовавшегося $CO_2$: $x$ моль/л.
• Концентрация образовавшегося $H_2$: $4x$ моль/л.

3. Рассчитаем значение $x$. Равновесная концентрация вещества равна сумме его исходной концентрации и изменения концентрации ($C_{равн} = C_{исх} + \Delta C$).

Для водорода ($H_2$): $C_{равн}(H_2) = C_{исх}(H_2) + \Delta C(H_2) = 0 + 4x = 4x$.

По условию задачи, $C_{равн}(H_2) = 0,2$ моль/л. Следовательно:

$4x = 0,2$

$x = \frac{0,2}{4} = 0,05$ моль/л.

Теперь, зная значение $x$, можно найти искомые равновесные концентрации X и Y.

Равновесная концентрация $H_2O$ (X)

Равновесная концентрация водяного пара вычисляется как разность между исходной концентрацией и прореагировавшей частью.

$X = C_{равн}(H_2O) = C_{исх}(H_2O) - 2x = 0,24 - 2 \times 0,05 = 0,24 - 0,1 = 0,14$ моль/л.

Ответ: Равновесная концентрация $H_2O$ (X) равна 0,14 моль/л.

Равновесная концентрация $CO_2$ (Y)

Равновесная концентрация диоксида углерода равна концентрации образовавшегося вещества, так как его исходная концентрация была равна нулю.

$Y = C_{равн}(CO_2) = C_{исх}(CO_2) + x = 0 + 0,05 = 0,05$ моль/л.

Ответ: Равновесная концентрация $CO_2$ (Y) равна 0,05 моль/л.