Номер 4, страница 309 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 65. Принцип Ле Шателье. Глава 6. Теоретическое описание химических реакций - номер 4, страница 309.

Условие.

4. На рисунке 157, а изображены равновесные количества веществ в системе $X_2 + Y_2 \rightleftharpoons 2XY$ при разных температурах. Определите, выделяется или поглощается теплота в прямой реакции. Рассчитайте константы равновесия при обеих температурах.

Рис. 157. Влияние температуры и давления на химическое равновесие

Решение.

Решение 2.

Дано:

Химическая реакция: $X_2 + Y_2 \rightleftharpoons 2XY$
Состояние системы при температуре $T_1 = 400$ К (согласно рисунку 157, а):
Количество молекул $X_2$: $n_1(X_2) = 3$
Количество молекул $Y_2$: $n_1(Y_2) = 3$
Количество молекул $XY$: $n_1(XY) = 6$
Состояние системы при температуре $T_2 = 500$ К (согласно рисунку 157, а):
Количество молекул $X_2$: $n_2(X_2) = 4$
Количество молекул $Y_2$: $n_2(Y_2) = 4$
Количество молекул $XY$: $n_2(XY) = 4$

Найти:

1. Определить, выделяется или поглощается теплота в прямой реакции.
2. Рассчитать константы равновесия при $T_1 = 400$ К и $T_2 = 500$ К.

Решение:

Определение теплового эффекта прямой реакции

Для определения теплового эффекта реакции проанализируем, как изменяется состав равновесной смеси при повышении температуры с 400 К до 500 К.При 400 К в системе находилось 6 молекул продукта $XY$ и по 3 молекулы исходных веществ $X_2$ и $Y_2$. При повышении температуры до 500 К количество молекул продукта $XY$ уменьшилось до 4, а количество молекул исходных веществ $X_2$ и $Y_2$ увеличилось до 4.Это означает, что повышение температуры привело к смещению равновесия влево, в сторону образования исходных веществ (в сторону обратной реакции).

Согласно принципу Ле Шателье, при повышении температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции (реакции, идущей с поглощением тепла). Поскольку равновесие сместилось влево, обратная реакция ($2XY \rightarrow X_2 + Y_2$) является эндотермической. Следовательно, прямая реакция ($X_2 + Y_2 \rightarrow 2XY$) является экзотермической, то есть протекает с выделением теплоты.

Ответ: В прямой реакции теплота выделяется.

Расчет констант равновесия

Константа равновесия для данной реакции выражается через равновесные концентрации веществ:

$K_c = \frac{[XY]^2}{[X_2][Y_2]}$

Поскольку все вещества находятся в газовой фазе в одном и том же объеме $V$, концентрация каждого вещества пропорциональна его количеству (в данном случае — числу молекул $n$). Поэтому для расчета можно использовать количество молекул:

$K = \frac{(n_{XY}/V)^2}{(n_{X_2}/V) \cdot (n_{Y_2}/V)} = \frac{n_{XY}^2}{n_{X_2} \cdot n_{Y_2}}$

Рассчитаем константу равновесия $K_1$ при температуре $T_1 = 400$ К:

$K_1 = \frac{(n_1(XY))^2}{n_1(X_2) \cdot n_1(Y_2)} = \frac{6^2}{3 \cdot 3} = \frac{36}{9} = 4$

Рассчитаем константу равновесия $K_2$ при температуре $T_2 = 500$ К:

$K_2 = \frac{(n_2(XY))^2}{n_2(X_2) \cdot n_2(Y_2)} = \frac{4^2}{4 \cdot 4} = \frac{16}{16} = 1$

Уменьшение константы равновесия с ростом температуры также подтверждает, что прямая реакция является экзотермической.

Ответ: Константа равновесия при 400 К равна 4; константа равновесия при 500 К равна 1.