Номер 5, страница 105, часть 1 - гдз по химии 10 класс учебник Оспанова, Аухадиева

5. Какие факторы способствуют увеличению выхода следующих промышленно важных реакций:

а) $C_2H_4(г) + H_2O(г) \rightleftharpoons C_2H_5OH(г) + Q$

б) $C(г) + H_2O(г) \rightleftharpoons CO(г) + H_2(г) - Q$

в) $2SO_2(г) + O_2(г) \rightleftharpoons 2SO_3(г) + Q$

Для определения факторов, способствующих увеличению выхода продуктов в обратимых реакциях, используется принцип Ле Шателье. Согласно этому принципу, если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, оказывается внешнее воздействие (изменение температуры, давления или концентрации), то равновесие смещается в направлении, которое ослабляет это воздействие.

а) $C_2H_4(г) + H_2O(г) \rightleftharpoons C_2H_5OH(г) + Q$

Это реакция гидратации этена с образованием этанола. Проанализируем факторы:

1. Температура. Реакция является экзотермической (протекает с выделением теплоты, $+Q$). Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону продуктов (вправо) необходимо понижать температуру. Однако на практике слишком низкая температура сильно замедляет скорость реакции, поэтому выбирают оптимальную, не слишком низкую температуру.
2. Давление. В левой части уравнения находится 1 моль этена и 1 моль паров воды, итого 2 моля газообразных веществ. В правой части – 1 моль паров этанола. Реакция идет с уменьшением числа молей газов ($2 \rightarrow 1$). Повышение давления смещает равновесие в сторону меньшего объема (меньшего числа молей газа), то есть вправо, увеличивая выход этанола.
3. Концентрация. Увеличение концентрации исходных веществ ($C_2H_4$ или $H_2O$) или удаление продукта ($C_2H_5OH$) из реакционной смеси будет смещать равновесие вправо.

Ответ: увеличению выхода $C_2H_5OH$ способствуют понижение температуры и повышение давления, а также увеличение концентрации реагентов.

б) $C(тв) + H_2O(г) \rightleftharpoons CO(г) + H_2(г) - Q$

Это реакция паровой газификации угля. Важно отметить, что углерод $\text{C}$ находится в твердом состоянии.

1. Температура. Реакция является эндотермической (протекает с поглощением теплоты, $-Q$). Для смещения равновесия в сторону продуктов ($CO$ и $H_2$) необходимо повышать температуру.
2. Давление. В левой части уравнения находится 1 моль газообразного вещества ($H_2O$). Углерод является твердым веществом, и его объем в расчетах давления для газов не учитывается. В правой части – 1 моль $CO$ и 1 моль $H_2$, итого 2 моля газообразных веществ. Реакция идет с увеличением числа молей газов ($1 \rightarrow 2$). Понижение давления смещает равновесие в сторону большего объема (большего числа молей газа), то есть вправо, увеличивая выход продуктов.
3. Концентрация. Увеличение концентрации паров воды ($H_2O$) или удаление продуктов ($CO$ или $H_2$) из реакционной смеси будет смещать равновесие вправо.

Ответ: увеличению выхода $CO$ и $H_2$ способствуют повышение температуры и понижение давления, а также увеличение концентрации паров воды.

в) $2SO_2(г) + O_2(г) \rightleftharpoons 2SO_3(г) + Q$

Это реакция окисления диоксида серы, ключевая стадия в производстве серной кислоты.

1. Температура. Реакция является экзотермической ($+Q$). Следовательно, для смещения равновесия вправо необходимо понижать температуру.
2. Давление. В левой части уравнения находится 2 моля $SO_2$ и 1 моль $O_2$, итого 3 моля газообразных веществ. В правой части – 2 моля $SO_3$. Реакция идет с уменьшением числа молей газов ($3 \rightarrow 2$). Повышение давления будет смещать равновесие в сторону меньшего числа молей, то есть вправо, увеличивая выход $SO_3$.
3. Концентрация. Увеличение концентрации исходных веществ ($SO_2$ или $O_2$) смещает равновесие вправо. В промышленности часто используют избыток кислорода.
4. Катализатор. Сама по себе эта реакция протекает медленно. Применение катализатора (например, $V_2O_5$) не смещает химическое равновесие, но значительно ускоряет как прямую, так и обратную реакции, позволяя достичь равновесия за приемлемое время при более низких температурах. Таким образом, катализатор косвенно способствует увеличению практического выхода продукта.

Ответ: увеличению выхода $SO_3$ способствуют понижение температуры, повышение давления, увеличение концентрации реагентов и использование катализатора.