Страница 73 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Объясните, какую систему называют равновесной. Какие условия необходимы для смещения химического равновесия:

a) экзотермической реакции;

б) эндотермической реакции?

Равновесной называют такую термодинамическую систему, в которой протекает обратимая химическая реакция, и скорость прямой реакции ($v_{прямая}$) равна скорости обратной реакции ($v_{обратная}$). В состоянии химического равновесия концентрации всех реагирующих веществ (реагентов и продуктов) остаются постоянными во времени при неизменных внешних условиях (температура, давление, концентрации). Важно понимать, что это динамическое равновесие: реакции в прямом и обратном направлениях продолжаются, но их скорости уравновешивают друг друга.

Для смещения химического равновесия, то есть для изменения соотношения концентраций продуктов и реагентов, необходимо изменить одно из условий, определяющих это равновесие. Согласно принципу Ле Шателье, если на систему, находящуюся в равновесии, оказывается внешнее воздействие (изменение температуры, давления или концентрации), то равновесие смещается в том направлении, которое ослабляет это воздействие.

а) экзотермической реакции

Экзотермическая реакция — это реакция, протекающая с выделением теплоты ($ \Delta H < 0 $). Условно её можно записать так: $ A + B \rightleftharpoons C + D + Q $.

Условия для смещения равновесия экзотермической реакции:

1. Изменение температуры.
   • Понижение температуры: Согласно принципу Ле Шателье, система будет стремиться компенсировать потерю тепла. Она сделает это, усилив процесс, который выделяет тепло, то есть прямую экзотермическую реакцию. Равновесие сместится вправо, в сторону образования продуктов.
   • Повышение температуры: Система будет стремиться поглотить избыток тепла. Для этого усилится обратная, эндотермическая реакция. Равновесие сместится влево, в сторону исходных веществ.
2. Изменение давления (для реакций с участием газов).
   • Повышение давления: Равновесие смещается в сторону, где находится меньшее количество молей газообразных веществ.
   • Понижение давления: Равновесие смещается в сторону, где находится большее количество молей газообразных веществ.
   • Если число молей газа в левой и правой частях уравнения одинаково, изменение давления не смещает равновесие.
3. Изменение концентрации веществ.
   • Увеличение концентрации реагентов (A или B): Равновесие сместится вправо, чтобы израсходовать добавленное вещество.
   • Увеличение концентрации продуктов (C или D): Равновесие сместится влево, чтобы израсходовать добавленный продукт.
   • Уменьшение концентрации реагентов (A или B): Равновесие сместится влево, чтобы восполнить убыль реагента.
   • Уменьшение концентрации продуктов (C или D): Равновесие сместится вправо, чтобы восполнить убыль продукта.

Ответ: Для смещения равновесия экзотермической реакции вправо (в сторону продуктов) необходимо понижать температуру, повышать давление (если сумма молей газообразных продуктов меньше суммы молей газообразных реагентов) и увеличивать концентрацию реагентов (или уменьшать концентрацию продуктов). Для смещения влево (в сторону реагентов) — повышать температуру, понижать давление (если сумма молей газообразных продуктов меньше суммы молей газообразных реагентов) и увеличивать концентрацию продуктов (или уменьшать концентрацию реагентов).

б) эндотермической реакции

Эндотермическая реакция — это реакция, протекающая с поглощением теплоты ($ \Delta H > 0 $). Условно её можно записать так: $ A + B \rightleftharpoons C + D - Q $ или $ A + B + Q \rightleftharpoons C + D $.

Условия для смещения равновесия эндотермической реакции:

1. Изменение температуры.
   • Повышение температуры: Согласно принципу Ле Шателье, система будет стремиться охладиться, то есть поглотить тепло. Для этого усилится прямая, эндотермическая реакция. Равновесие сместится вправо, в сторону образования продуктов.
   • Понижение температуры: Система будет стремиться выработать тепло, чтобы скомпенсировать охлаждение. Для этого усилится обратная, экзотермическая реакция. Равновесие сместится влево, в сторону исходных веществ.
2. Изменение давления (для реакций с участием газов). Воздействие аналогично экзотермическим реакциям и не зависит от теплового эффекта.
   • Повышение давления: Смещение в сторону меньшего числа молей газа.
   • Понижение давления: Смещение в сторону большего числа молей газа.
3. Изменение концентрации веществ. Воздействие также аналогично экзотермическим реакциям.
   • Увеличение концентрации реагентов: Смещение вправо.
   • Увеличение концентрации продуктов: Смещение влево.
   • Уменьшение концентрации реагентов: Смещение влево.
   • Уменьшение концентрации продуктов: Смещение вправо.

Ответ: Для смещения равновесия эндотермической реакции вправо (в сторону продуктов) необходимо повышать температуру, повышать давление (если сумма молей газообразных продуктов меньше суммы молей газообразных реагентов) и увеличивать концентрацию реагентов (или уменьшать концентрацию продуктов). Для смещения влево (в сторону реагентов) — понижать температуру, понижать давление (если сумма молей газообразных продуктов меньше суммы молей газообразных реагентов) и увеличивать концентрацию продуктов (или уменьшать концентрацию реагентов).

2. Даны уравнения реакций:

1) $2\text{HgO} \rightleftharpoons 2\text{Hg} + \text{O}_2 + Q$

2) $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3 + Q$

3) $\text{N}_2 + \text{O}_2 \rightleftharpoons 2\text{NO} - Q$

4) $2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightleftharpoons 2\text{H}_2\text{O} + Q$

В какую сторону сместится равновесие каждой реакции при повышении: а) температуры; б) давления?

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

а) Повышение температуры

Согласно принципу Ле Шателье, при повышении температуры химическое равновесие смещается в сторону эндотермической реакции (реакции, идущей с поглощением теплоты, $\Delta H > 0$). Реакции, идущие с выделением теплоты ($+Q$ в продуктах), называются экзотермическими, а с поглощением ($-Q$ в продуктах) — эндотермическими.

1) $2HgO \rightleftharpoons 2Hg + O_2 + Q$

Прямая реакция является экзотермической. Следовательно, повышение температуры сместит равновесие в сторону обратной, эндотермической реакции.

Ответ: Равновесие сместится влево, в сторону исходных веществ.

2) $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3 + Q$

Прямая реакция является экзотермической. Повышение температуры сместит равновесие в сторону обратной, эндотермической реакции.

Ответ: Равновесие сместится влево, в сторону исходных веществ.

3) $N_2 + O_2 \rightleftharpoons 2NO - Q$

Запись "$-Q$" означает, что прямая реакция является эндотермической. Повышение температуры сместит равновесие в сторону прямой реакции.

Ответ: Равновесие сместится вправо, в сторону продуктов реакции.

4) $2H_2 + O_2 \rightleftharpoons 2H_2O + Q$

Прямая реакция является экзотермической. Повышение температуры сместит равновесие в сторону обратной, эндотермической реакции.

Ответ: Равновесие сместится влево, в сторону исходных веществ.

б) Повышение давления

Согласно принципу Ле Шателье, при повышении давления равновесие смещается в сторону образования меньшего объёма веществ, то есть в сторону меньшего количества молей газообразных продуктов. Если число молей газа в левой и правой частях уравнения одинаково, изменение давления не влияет на равновесие. При анализе учтем агрегатные состояния веществ.

1) $2HgO(тв) \rightleftharpoons 2Hg(г) + O_2(г)$

В левой части уравнения 0 моль газа ($HgO$ — твёрдое вещество). В правой части 2 моль газообразной ртути и 1 моль кислорода, всего $2+1=3$ моль газа. Повышение давления сместит равновесие в сторону меньшего количества молей газа.

Ответ: Равновесие сместится влево, в сторону исходного вещества.

2) $N_2(г) + 3H_2(г) \rightleftharpoons 2NH_3(г)$

В левой части уравнения $1+3=4$ моль газа. В правой части 2 моль газа. Повышение давления сместит равновесие в сторону меньшего количества молей газа.

Ответ: Равновесие сместится вправо, в сторону продукта реакции.

3) $N_2(г) + O_2(г) \rightleftharpoons 2NO(г)$

В левой части уравнения $1+1=2$ моль газа. В правой части 2 моль газа. Количество молей газа в обеих частях уравнения одинаково.

Ответ: Изменение давления не сместит равновесие.

4) $2H_2(г) + O_2(г) \rightleftharpoons 2H_2O(г)$

В левой части уравнения $2+1=3$ моль газа. В правой части 2 моль газообразной воды. Повышение давления сместит равновесие в сторону меньшего количества молей газа.

Ответ: Равновесие сместится вправо, в сторону продукта реакции.