Страница 48 - гдз по химии 11 класс рабочая тетрадь Габриелян, Сладков

5. Роль катализаторов в обратимых процессах:

1) влияние на скорость реакции

2) влияние на смещение равновесия

1) влияние на скорость реакции

Катализаторы – это вещества, которые увеличивают скорость химической реакции, но сами при этом не расходуются. Механизм их действия заключается в предоставлении альтернативного пути реакции, который характеризуется более низкой энергией активации ($E_a$). В обратимых процессах катализатор снижает энергию активации как для прямой, так и для обратной реакции. В результате этого скорость прямой ($v_{\text{прям}}$) и скорость обратной ($v_{\text{обр}}$) реакций возрастают в одинаковой степени. Таким образом, основная роль катализатора заключается в значительном ускорении достижения системой состояния химического равновесия. Ответ: катализатор одинаково увеличивает скорость как прямой, так и обратной реакции, что приводит к более быстрому достижению равновесия.

2) влияние на смещение равновесия

Химическое равновесие наступает, когда скорость прямой реакции становится равна скорости обратной реакции ($v_{\text{прям}} = v_{\text{обр}}$). Катализатор, как указано выше, ускоряет обе реакции в равной мере, поэтому он не нарушает это равенство. Положение химического равновесия характеризуется константой равновесия ($K_c$), которая представляет собой отношение константы скорости прямой реакции ($k_{\text{прям}}$) к константе скорости обратной реакции ($k_{\text{обр}}$): $K_c = \frac{k_{\text{прям}}}{k_{\text{обр}}}$. Так как катализатор увеличивает обе константы ($k_{\text{прям}}$ и $k_{\text{обр}}$) на один и тот же множитель, их соотношение, а значит и сама константа равновесия ($K_c$), не изменяется. Следовательно, введение катализатора не приводит к смещению химического равновесия и не влияет на равновесный выход продуктов. Ответ: катализатор не смещает химическое равновесие, так как в равной степени ускоряет прямую и обратную реакции, не изменяя константу равновесия.

1. Заполните таблицу.

Примеры обратимых процессов

Неорганическая химия

1) $N_2 + H_2 \rightleftharpoons$__________

Прямая реакция

Обратная реакция

2) $SO_2 + O_2 \rightleftharpoons $__________

Прямая реакция

синтез

3) $N_2 + O_2 \rightleftharpoons $__________

Прямая реакция

синтез

Органическая химия

1) $\text{C_2H_6} \overset{\text{Pt, t}}{\rightleftharpoons} $__________

Прямая реакция

Обратная реакция

2) $\text{C_2H_4} + H_2O \overset{\text{H_3PO_4}}{\rightleftharpoons}$

Прямая реакция

синтез

3)$N_2 + O_2 \rightleftharpoons$__________

Прямая реакция

синтез

Органическая химия

1)\text{C_2H_6} \overset{\text{Pt, t}}{\rightleftharpoons} __________

Прямая реакция

Обратная реакция

2)\text{C_2H_4} + H_2O \overset{\text{H_3PO_4}}{\rightleftharpoons}__________

Прямая реакция

Обратная реакция

3) $RCOOH + ROH \rightleftharpoons$__________

Прямая реакция

Обратная реакция

Неорганическая химия

1) N₂ + H₂ ⇌

Решение:

Это обратимая реакция синтеза аммиака из азота и водорода, известная как процесс Габера-Боша. Продуктом прямой реакции является аммиак ($NH_3$). Уравнение реакции, сбалансированное по коэффициентам, выглядит следующим образом: $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$.

Прямая реакция, в ходе которой из двух простых веществ образуется одно сложное, является реакцией соединения. Это слово из 10 букв, что соответствует количеству пустых ячеек в задании.

Обратная реакция, в ходе которой сложное вещество (аммиак) распадается на два более простых, является реакцией разложения. Это слово также состоит из 10 букв и подходит для заполнения ячеек.

Ответ: В пропуске после знака обратимости: $2NH_3$. В ячейках для прямой реакции: соединения. В ячейках для обратной реакции: разложения.

2) SO₂ + O₂ ⇌

Решение:

Это реакция окисления диоксида серы ($SO_2$) кислородом, ключевая стадия в производстве серной кислоты. Продуктом является триоксид серы ($SO_3$). Сбалансированное уравнение: $2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$.

Прямая реакция указана как синтез. Необходимо указать, что синтезируется. Продукт — триоксид серы, также известный как серный ангидрид. Фраза "серного ангидрида" состоит из 17 букв, что соответствует ячейкам, а в скобки помещается формула (SO₃).

Обратная реакция — это распад триоксида серы на диоксид серы и кислород, то есть реакция разложения.

Ответ: В пропуске после знака обратимости: $2SO_3$. В ячейках для прямой реакции: серного ангидрида (SO₃). Обратная реакция: разложения.

3) N₂ + O₂ ⇌

Решение:

Реакция между азотом и кислородом происходит при очень высоких температурах (например, во время грозового разряда). В результате образуется оксид азота(II) ($NO$). Уравнение реакции: $N_2 + O_2 \rightleftharpoons 2NO$.

Прямая реакция указана как синтез. Продукт — оксид азота(II). Фраза "оксида азота(II)" состоит из 14 букв, что соответствует ячейкам, а в скобки помещается формула (NO).

Обратная реакция — это распад оксида азота(II) на простые вещества, то есть реакция разложения.

Ответ: В пропуске после знака обратимости: $2NO$. В ячейках для прямой реакции: оксида азота(II) (NO). Обратная реакция: разложения.

Органическая химия

1) C₂H₆ ⇌

Решение:

Это реакция каталитического (катализатор Pt, температура t) дегидрирования этана ($C_2H_6$). При отщеплении молекулы водорода от этана образуется этен ($C_2H_4$) и водород ($H_2$). Уравнение: $C_2H_6 \rightleftharpoons C_2H_4 + H_2$.

Прямая реакция — это отщепление водорода, то есть реакция дегидрирования. Слово состоит из 13 букв, что соответствует ячейкам.

Обратная реакция — это присоединение водорода к этену с образованием этана, то есть реакция гидрирования. Слово состоит из 11 букв, что соответствует ячейкам.

Ответ: В пропуске после знака обратимости: $C_2H_4 + H_2$. Прямая реакция: дегидрирование. Обратная реакция: гидрирование.

2) C₂H₄ + H₂O ⇌

Решение:

Это реакция гидратации этена ($C_2H_4$) в присутствии кислотного катализатора ($H_3PO_4$). Продуктом присоединения воды к этену является этанол ($C_2H_5OH$). Уравнение: $C_2H_4 + H_2O \rightleftharpoons C_2H_5OH$.

Прямая реакция — это присоединение воды, то есть реакция гидратации. Слово состоит из 10 букв, что соответствует ячейкам.

Обратная реакция — это отщепление воды от этанола с образованием этена, то есть реакция дегидратации. Слово состоит из 11 букв, что соответствует ячейкам.

Ответ: В пропуске после знака обратимости: $C_2H_5OH$. Прямая реакция: гидратация. Обратная реакция: дегидратация.

3) RCOOH + ROH ⇌

Решение:

Это общая схема обратимой реакции между карбоновой кислотой ($RCOOH$) и спиртом ($ROH$). В результате образуется сложный эфир ($RCOOR$) и вода ($H_2O$). Уравнение: $RCOOH + ROH \rightleftharpoons RCOOR + H_2O$.

Прямая реакция — это реакция образования сложного эфира, которая называется реакцией этерификации. Слово состоит из 12 букв, что соответствует ячейкам.

Обратная реакция — это расщепление сложного эфира под действием воды с образованием кислоты и спирта. Такая реакция называется гидролизом сложного эфира. Слово "гидролиз" состоит из 7 букв, что соответствует ячейкам.

Ответ: В пропуске после знака обратимости: $RCOOR + H_2O$. Прямая реакция: этерификация. Обратная реакция: гидролиз.

2. Запишите условия смещения равновесия синтеза оксида серы(VI) влево (в сторону обратной реакции).

Решение

Реакция синтеза оксида серы(VI) из оксида серы(IV) и кислорода является обратимой. Уравнение этой реакции в общем виде записывается следующим образом:
$2SO_{2(г)} + O_{2(г)} \rightleftharpoons 2SO_{3(г)}$

Для определения условий, при которых равновесие будет смещаться влево (в сторону обратной реакции), необходимо проанализировать характеристики процесса и применить принцип Ле Шателье.

Основные характеристики реакции:

• Прямая реакция является экзотермической, она протекает с выделением теплоты. Тепловой эффект реакции $ \Delta H = -198 $ кДж/моль. Таким образом, уравнение можно записать как: $2SO_{2(г)} + O_{2(г)} \rightleftharpoons 2SO_{3(г)} + Q$. Обратная реакция, соответственно, является эндотермической (протекает с поглощением теплоты).
• Реакция протекает с изменением количества молей газообразных веществ. В левой части уравнения (исходные вещества) находится $2+1=3$ моль газа, а в правой (продукты) — $2$ моль газа. То есть, прямая реакция идет с уменьшением объема, а обратная — с увеличением.

Согласно принципу Ле Шателье, если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, оказать внешнее воздействие (изменить температуру, давление или концентрацию), то равновесие сместится в том направлении, которое ослабляет это воздействие.

Рассмотрим влияние различных факторов для смещения равновесия влево.

1. Влияние температуры
Смещение равновесия влево соответствует протеканию обратной, эндотермической реакции (разложение $SO_3$ на $SO_2$ и $O_2$), которая идет с поглощением теплоты. Чтобы сместить равновесие в сторону эндотермической реакции, необходимо повысить температуру системы.

2. Влияние давления
Обратная реакция протекает с увеличением количества молей газообразных веществ (с 2 моль до 3 моль). Чтобы сместить равновесие в сторону реакции, идущей с увеличением объема (и числа молей газа), необходимо понизить общее давление в системе.

3. Влияние концентрации
Чтобы сместить равновесие влево, то есть в сторону исходных веществ, необходимо либо увеличить концентрацию продукта, либо уменьшить концентрацию исходных веществ.
а) Увеличение концентрации оксида серы(VI) ($SO_3$) приведет к смещению равновесия в сторону его расходования, то есть влево.
б) Уменьшение концентрации оксида серы(IV) ($SO_2$) или кислорода ($O_2$) приведет к смещению равновесия в сторону их образования, то есть влево.

Ответ:
Для смещения равновесия реакции синтеза оксида серы(VI) влево (в сторону обратной реакции) необходимы следующие условия:

1. Повышение температуры;
2. Понижение давления;
3. Увеличение концентрации продукта реакции ($SO_3$);
4. Уменьшение концентрации исходных веществ ($SO_2$ или $O_2$).