Номер 11, страница 165 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 4. Закономерности протекания химических реакций и физико-химических процессов. Параграф 23. Химическое равновесие и способы его смещения - номер 11, страница 165.

Условие.

11. В каком направлении сместится химическое равновесие в системе $2\text{CO}(\text{г}.) + 2\text{H}_2(\text{г}.) \rightleftharpoons \text{CH}_4(\text{г}.) + \text{CO}_2(\text{г}.)$, если концентрации всех веществ уменьшить в 2 раза?

Решение.

Решение 2.

Решение

Для определения направления смещения химического равновесия воспользуемся принципом Ле Шателье. Согласно этому принципу, если на систему, находящуюся в равновесии, оказывается внешнее воздействие (изменение концентрации, давления или температуры), то равновесие смещается в направлении, которое ослабляет это воздействие.

Уменьшение концентрации всех веществ в 2 раза эквивалентно увеличению объема системы в 2 раза, что приводит к уменьшению общего давления в системе.

При уменьшении давления равновесие смещается в сторону образования большего числа молей газообразных веществ.

Рассмотрим данное уравнение реакции:

$2CO(г.) + 2H_2(г.) \rightleftharpoons CH_4(г.) + CO_2(г.)$

1. Посчитаем сумму молей газообразных веществ в левой части уравнения (реагенты):

$\sum \nu_{реаг.} = 2 \text{ моль } CO + 2 \text{ моль } H_2 = 4 \text{ моль}$

2. Посчитаем сумму молей газообразных веществ в правой части уравнения (продукты):

$\sum \nu_{прод.} = 1 \text{ моль } CH_4 + 1 \text{ моль } CO_2 = 2 \text{ моль}$

Сравнивая количество молей, видим, что в левой части уравнения их больше, чем в правой ($4 > 2$).

Поскольку система стремится противодействовать уменьшению давления, равновесие сместится в сторону, где образуется большее количество молей газа, то есть влево, в сторону обратной реакции (в сторону исходных веществ).

Можно также доказать это математически через константу равновесия $K_c$ и реакционный частный $Q_c$.

Выражение для константы равновесия:

$K_c = \frac{[CH_4][CO_2]}{[CO]^2[H_2]^2}$

После уменьшения концентраций всех веществ в 2 раза, новые концентрации будут: $[CO]'=[CO]/2$, $[H_2]'=[H_2]/2$, $[CH_4]'=[CH_4]/2$, $[CO_2]'=[CO_2]/2$.

Рассчитаем реакционный частный $Q_c$ для нового состояния:

$Q_c = \frac{[CH_4]'[CO_2]'}{([CO]')^2([H_2]')^2} = \frac{(\frac{[CH_4]}{2})(\frac{[CO_2]}{2})}{(\frac{[CO]}{2})^2(\frac{[H_2]}{2})^2} = \frac{\frac{[CH_4][CO_2]}{4}}{\frac{[CO]^2[H_2]^2}{16}} = \frac{[CH_4][CO_2]}{4} \cdot \frac{16}{[CO]^2[H_2]^2} = 4 \cdot \frac{[CH_4][CO_2]}{[CO]^2[H_2]^2} = 4K_c$

Поскольку $Q_c > K_c$, система не находится в равновесии. Чтобы достичь равновесия, значение $Q_c$ должно уменьшиться, а это произойдет при уменьшении концентрации продуктов и увеличении концентрации реагентов. Следовательно, равновесие сместится влево.

Ответ: Химическое равновесие сместится влево, в сторону обратной реакции (в сторону реагентов CO и H₂).