Номер 5, 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 5, страница 102.

Условие.

5. Подберите факторы, с помощью которых можно добиться увеличения выхода водорода в реакции

$CO(\text{г.}) + H_2(\text{г.}) \rightleftharpoons CH_4(\text{г.}) + H_2O(\text{г.})$ ($Q > 0$, катализатор - Ni)

(преобразуйте данную схему в уравнение обратимой реакции, расставив коэффициенты).

Решение.

Решение 2.

Для того чтобы увеличить выход водорода ($H_2$), необходимо сместить химическое равновесие в сторону обратной реакции (влево). В первую очередь, согласно требованию задачи, преобразуем данную схему в уравнение обратимой реакции, расставив коэффициенты.

Исходная схема: $CO(г.) + H_2(г.) \rightleftharpoons CH_4(г.) + H_2O(г.)$

Подсчитаем количество атомов каждого элемента в левой и правой частях. Слева: 1 атом углерода (C), 1 атом кислорода (O), 2 атома водорода (H). Справа: 1 атом C, 1 атом O, 6 атомов H (4 в $CH_4$ и 2 в $H_2O$). Для уравнивания количества атомов водорода необходимо поставить коэффициент 3 перед молекулой $H_2$ в левой части.

Сбалансированное уравнение реакции:

$CO(г.) + 3H_2(г.) \rightleftharpoons CH_4(г.) + H_2O(г.), \quad Q > 0$

Теперь рассмотрим факторы, которые, согласно принципу Ле Шателье, сместят равновесие влево, в сторону образования исходных веществ, включая водород.

1. Изменение температуры

Прямая реакция является экзотермической, так как протекает с выделением теплоты ($Q > 0$). Следовательно, обратная реакция является эндотермической (идет с поглощением теплоты). Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону эндотермической реакции (влево) необходимо повысить температуру системы.

Ответ: повышение температуры.

2. Изменение давления

Определим количество молей газообразных веществ в левой и правой частях уравнения. В левой части $1 \text{ моль } CO + 3 \text{ моль } H_2 = 4 \text{ моль}$ газов. В правой части $1 \text{ моль } CH_4 + 1 \text{ моль } H_2O = 2 \text{ моль}$ газов. Обратная реакция идет с увеличением числа молей газов (с 2 до 4), то есть с увеличением объема. Для смещения равновесия в сторону реакции, ведущей к увеличению объема, необходимо понизить общее давление в системе.

Ответ: понижение давления.

3. Изменение концентрации веществ

Чтобы сместить равновесие влево, в сторону образования исходных веществ, можно либо увеличить концентрацию продуктов ($CH_4$ или $H_2O$), либо уменьшить концентрацию другого исходного вещества ($CO$). Введение в систему дополнительного количества метана или водяного пара сместит равновесие в сторону их расходования, то есть влево. Удаление угарного газа из реакционной смеси также сместит равновесие влево для его восполнения.

Ответ: увеличение концентрации метана ($CH_4$) или водяного пара ($H_2O$); уменьшение концентрации угарного газа ($CO$).

4. Влияние катализатора

Катализатор (в данном случае Ni) одинаково ускоряет и прямую, и обратную реакции, способствуя лишь более быстрому достижению состояния равновесия. Катализатор не влияет на положение равновесия и, следовательно, не изменяет выход продуктов.

Ответ: катализатор не влияет на смещение равновесия и выход водорода.