Номер 3, страница 102 - гдз по химии 11 класс учебник Кузнецова, Левкин

Вопросы и задания. Параграф 14. Обратимость химических реакций. Химическое равновесие. Глава 4. Химические реакции - номер 3, страница 102.

Условие.

3. Почему катализатор не влияет на смещение химического равновесия?

Решение.

Решение 2.

3. Решение

Химическое равновесие — это состояние обратимой химической реакции, при котором скорости прямой и обратной реакций равны. Рассмотрим общую обратимую реакцию:

$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$

Скорость прямой реакции ($v_{прям}$) и обратной реакции ($v_{обр}$) выражаются через закон действующих масс:

$v_{прям} = k_{прям} [A]^a [B]^b$

$v_{обр} = k_{обр} [C]^c [D]^d$

где $k_{прям}$ и $k_{обр}$ — константы скоростей прямой и обратной реакций соответственно.

В состоянии равновесия скорости равны: $v_{прям} = v_{обр}$. Следовательно:

$k_{прям} [A]^a [B]^b = k_{обр} [C]^c [D]^d$

Из этого равенства выводится выражение для константы равновесия ($K_c$), которая характеризует положение равновесия и является отношением констант скоростей:

$K_c = \frac{k_{прям}}{k_{обр}} = \frac{[C]^c [D]^d}{[A]^a [B]^b}$

Константа равновесия при заданной температуре является величиной постоянной и определяет равновесные концентрации веществ.

Теперь рассмотрим действие катализатора. Катализатор — это вещество, которое увеличивает скорость химической реакции, предоставляя альтернативный реакционный путь с более низкой энергией активации ($E_a$).

Ключевой момент заключается в том, что катализатор снижает энергию активации как для прямой, так и для обратной реакции, причем на одну и ту же величину. Это происходит потому, что катализатор участвует в образовании промежуточного активированного комплекса, который одинаково легко распадается как на исходные вещества, так и на продукты.

Согласно уравнению Аррениуса ($k = A e^{-E_a/(RT)}$), снижение энергии активации приводит к экспоненциальному росту константы скорости. Поскольку катализатор одинаково снижает барьер для прямой и обратной реакции, он в одинаковое число раз ($n$) увеличивает обе константы скорости:

$k'_{прям} = n \cdot k_{прям}$

$k'_{обр} = n \cdot k_{обр}$

Рассчитаем новую константу равновесия ($K'_c$) в присутствии катализатора:

$K'_c = \frac{k'_{прям}}{k'_{обр}} = \frac{n \cdot k_{прям}}{n \cdot k_{обр}} = \frac{k_{прям}}{k_{обр}} = K_c$

Как видно из вычислений, константа равновесия не изменяется ($K'_c = K_c$). Поскольку константа равновесия — это количественная характеристика положения равновесия, её неизменность означает, что равновесие не смещается. Катализатор лишь позволяет системе быстрее достичь этого равновесного состояния, но не изменяет его.

Ответ: Катализатор не влияет на смещение химического равновесия, потому что он в одинаковой степени ускоряет как прямую, так и обратную реакции. Он снижает энергию активации для обоих процессов на одну и ту же величину, что приводит к пропорциональному увеличению констант скоростей прямой и обратной реакций. В результате их отношение, которое и представляет собой константу равновесия, остается неизменным. Катализатор лишь сокращает время, необходимое для достижения равновесного состояния.