Страница 110 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Что называют состоянием равновесия?

Что называют состоянием равновесия?

Состояние равновесия — это состояние физической системы, в котором она может пребывать сколь угодно долго, не изменяя своих макроскопических параметров, при неизменных внешних условиях. В механике это означает, что тело (или система тел) не имеет ускорения, то есть либо находится в состоянии покоя, либо движется равномерно и прямолинейно.

Для того чтобы абсолютно твердое тело находилось в равновесии, должны выполняться два условия:

Первое условие равновесия (равновесие поступательного движения): векторная сумма всех внешних сил, приложенных к телу, должна быть равна нулю. Это гарантирует, что центр масс тела не будет испытывать ускорения. Математически это выражается формулой:

$ \sum \vec{F_i} = \vec{F_1} + \vec{F_2} + ... + \vec{F_n} = 0 $

Это означает, что все силы, действующие на тело, взаимно компенсируют друг друга.

Второе условие равновесия (равновесие вращательного движения): векторная сумма моментов всех внешних сил относительно любой произвольно выбранной оси вращения должна быть равна нулю. Это гарантирует, что тело не будет испытывать углового ускорения, то есть не начнет вращаться или не изменит свою угловую скорость. Математически это выражается формулой:

$ \sum \vec{M_i} = \vec{M_1} + \vec{M_2} + ... + \vec{M_n} = 0 $

Для материальной точки, размеры которой пренебрежимо малы, достаточно выполнения только первого условия.

Также различают три вида механического равновесия в зависимости от реакции системы на малое отклонение от положения равновесия:

• Устойчивое равновесие: при малом отклонении от положения равновесия возникают силы, которые стремятся вернуть тело в исходное состояние. В этом положении потенциальная энергия системы минимальна.

• Неустойчивое равновесие: при малом отклонении возникают силы, которые стремятся удалить тело еще дальше от положения равновесия. В этом положении потенциальная энергия системы максимальна.

• Безразличное равновесие: при малом отклонении тело остается в новом положении, которое также является положением равновесия. Потенциальная энергия при таких смещениях не изменяется.

Понятие равновесия фундаментально и применяется не только в механике, но и в других разделах физики, например, в термодинамике, где равновесное состояние характеризуется постоянством температуры, давления и других макроскопических параметров по всему объему системы.

Ответ: Состоянием равновесия называют такое состояние тела или системы тел, при котором их ускорение равно нулю (то есть тело покоится или движется с постоянной скоростью). Это достигается, когда векторная сумма всех приложенных к телу сил и векторная сумма моментов всех сил относительно любой оси равны нулю.

2. Предскажите, в какую сторону сместится равновесие реакции
$H_2(\text{г}) + S(\text{г}) \rightleftharpoons H_2S(\text{г}) + Q$:
а) при нагревании; б) при уменьшении давления; в) при увеличении концентрации водорода.

Для анализа смещения химического равновесия воспользуемся принципом Ле Шателье, который гласит, что если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, оказывается внешнее воздействие (изменение температуры, давления, концентрации), то равновесие смещается в направлении, которое ослабляет это воздействие.

Рассмотрим реакцию: $H_{2(г)} + S_{(г)} \rightleftharpoons H_2S_{(г)} + Q$

а) при нагревании

Прямая реакция ($H_{2(г)} + S_{(г)} \rightarrow H_2S_{(г)}$) является экзотермической, так как в уравнении указано выделение теплоты ($+Q$). Обратная реакция, соответственно, является эндотермической (протекает с поглощением тепла). При нагревании, согласно принципу Ле Шателье, равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, то есть в сторону, которая поглощает тепло. В данном случае это обратная реакция.

Ответ: равновесие сместится влево, в сторону исходных веществ (реагентов).

б) при уменьшении давления

Изменение давления влияет на равновесие в реакциях с участием газообразных веществ, если изменяется их объем (количество моль). Посчитаем количество моль газов в левой и правой частях уравнения:

• Слева (реагенты): $1$ моль $H_{2(г)}$ + $1$ моль $S_{(г)}$ = $2$ моль газов.
• Справа (продукты): $1$ моль $H_2S_{(г)}$ = $1$ моль газа.

При уменьшении давления равновесие смещается в сторону большего объема, то есть в сторону большего количества моль газов. В данном случае это направление к исходным веществам.

Ответ: равновесие сместится влево, в сторону исходных веществ (реагентов).

в) при увеличении концентрации водорода

Водород ($H_2$) является исходным веществом (реагентом). Согласно принципу Ле Шателье, при увеличении концентрации одного из реагентов равновесие смещается в сторону расходования этого вещества, то есть в сторону прямой реакции для образования продуктов.

Ответ: равновесие сместится вправо, в сторону продуктов реакции.

3. Приведите пример необратимой экзотермической окислительно-восстановительной реакции соединения.

Решение

Задача требует привести пример реакции, которая одновременно удовлетворяет четырем условиям: является реакцией соединения, окислительно-восстановительной, экзотермической и необратимой.

В качестве примера можно рассмотреть реакцию горения магния в кислороде.

Уравнение реакции:

$ 2Mg + O_2 \rightarrow 2MgO $

Проанализируем эту реакцию на соответствие всем требованиям:

• Реакция соединения: да, так как из двух простых веществ (магний $Mg$ и кислород $O_2$) образуется одно сложное вещество (оксид магния $MgO$).

• Окислительно-восстановительная реакция: да, так как происходит изменение степеней окисления.

  $ 2\stackrel{0}{Mg} + \stackrel{0}{O}_2 \rightarrow 2\stackrel{+2}{Mg}\stackrel{-2}{O} $

  Атом магния ($Mg$) повышает свою степень окисления с 0 до +2, он является восстановителем и окисляется.

  Атом кислорода ($O$) понижает свою степень окисления с 0 до -2, он является окислителем и восстанавливается.

• Экзотермическая реакция: да, поскольку горение – это процесс, который всегда протекает с выделением большого количества тепла и света. Тепловой эффект данной реакции $ \Delta H < 0 $.
• Необратимая реакция: да, так как продукт реакции, оксид магния $MgO$, является очень термодинамически устойчивым соединением. Для его разложения на исходные вещества требуются очень высокие температуры, поэтому в обычных условиях обратный процесс не происходит.

Таким образом, реакция горения магния полностью удовлетворяет всем условиям задачи.

Ответ: Примером необратимой экзотермической окислительно-восстановительной реакции соединения является горение магния: $ 2Mg + O_2 \rightarrow 2MgO $.

4. Воспользовавшись схемой 5, охарактеризуйте по всем признакам сравнения реакции: а) разложения карбоната кальция;

Схема 5

Классификация химических реакций

б) взаимодействия натрия с водой;

в) нейтрализации гидроксида натрия соляной кислотой.

Для характеристики каждой реакции воспользуемся классификацией, представленной на схеме 5. Необходимо определить тип реакции по четырём признакам: число и состав исходных и образующихся веществ, изменение степени окисления, тепловой эффект и обратимость.

а) разложение карбоната кальция;

Уравнение реакции: $CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} CaO + CO_2$

1. По числу и составу исходных и образующихся веществ: из одного сложного вещества ($CaCO_3$) образуются два других вещества ($CaO$ и $CO_2$). Это реакция разложения.

2. По изменению степени окисления: рассчитаем степени окисления элементов до и после реакции: $\stackrel{+2}{Ca}\stackrel{+4}{C}\stackrel{-2}{O}_3 \to \stackrel{+2}{Ca}\stackrel{-2}{O} + \stackrel{+4}{C}\stackrel{-2}{O}_2$. Степени окисления кальция ($+2$), углерода ($+4$) и кислорода ($-2$) не изменяются. Следовательно, реакция протекает без изменения степеней окисления.

3. По тепловому эффекту: реакция разложения карбоната кальция требует нагревания, то есть поглощает теплоту извне. Это эндотермическая реакция.

4. По признаку обратимости: так как в результате реакции образуется газообразное вещество ($CO_2$), которое покидает зону реакции, она является необратимой в обычных условиях.

Ответ: реакция разложения, без изменения степеней окисления, эндотермическая, необратимая.

б) взаимодействия натрия с водой;

Уравнение реакции: $2Na + 2H_2O \to 2NaOH + H_2 \uparrow$

1. По числу и составу исходных и образующихся веществ: простое вещество (натрий) вступает в реакцию со сложным веществом (вода), замещая в нём атомы водорода. Образуются новое сложное вещество (гидроксид натрия) и новое простое вещество (водород). Это реакция замещения.

2. По изменению степени окисления: определим степени окисления: $2\stackrel{0}{Na} + 2\stackrel{+1}{H}_2\stackrel{-2}{O} \to 2\stackrel{+1}{Na}\stackrel{-2}{O}\stackrel{+1}{H} + \stackrel{0}{H}_2$. Натрий изменяет степень окисления с $0$ до $+1$ (окисляется), а водород — с $+1$ до $0$ (восстанавливается). Следовательно, это окислительно-восстановительная реакция.

3. По тепловому эффекту: реакция протекает очень бурно, с выделением большого количества теплоты. Это экзотермическая реакция.

4. По признаку обратимости: выделение газа ($H_2$) приводит к тому, что реакция протекает только в одном направлении и является необратимой.

Ответ: реакция замещения, окислительно-восстановительная, экзотермическая, необратимая.

в) нейтрализации гидроксида натрия соляной кислотой.

Уравнение реакции: $NaOH + HCl \to NaCl + H_2O$

1. По числу и составу исходных и образующихся веществ: два сложных вещества (гидроксид натрия и соляная кислота) обмениваются своими составными частями (ионами). Это реакция обмена.

2. По изменению степени окисления: определим степени окисления: $\stackrel{+1}{Na}\stackrel{-2}{O}\stackrel{+1}{H} + \stackrel{+1}{H}\stackrel{-1}{Cl} \to \stackrel{+1}{Na}\stackrel{-1}{Cl} + \stackrel{+1}{H}_2\stackrel{-2}{O}$. Степени окисления всех элементов ($Na, O, H, Cl$) в ходе реакции не изменяются. Реакция протекает без изменения степеней окисления.

3. По тепловому эффекту: реакция нейтрализации кислоты основанием всегда протекает с выделением теплоты. Это экзотермическая реакция.

4. По признаку обратимости: в результате реакции образуется вода — очень слабо диссоциирующее вещество, что смещает равновесие в сторону продуктов. Реакция считается необратимой.

Ответ: реакция обмена, без изменения степеней окисления, экзотермическая, необратимая.