Влияние изменения концентрации на смещение химического равновесия

Предположим, что в систему, находящуюся в состоянии равновесия, введено дополнительное количество азота. В соответствии с принципом Ле Шателье это вызовет смещение равновесия в сторону уменьшения концентрации азота, т. е. в сторону прямой реакции. При этом увеличивается выход аммиака. Наоборот, уменьшение концентрации азота в равновесной системе приведет к смещению равновесия в сторону увеличения концентрации азота, т. е. в сторону обратной реакции  реакции разложения аммиака на азот и водород.

Влияние изменения температуры на смещение химического равновесия

Если равновесие в системе установилось при определенной температуре, то изменение температуры приведет к нарушению равновесия. Чтобы предсказать направление смещения равновесия при изменении температуры, необходимо вспомнить, что большинство химических реакций сопровождаются либо выделением (экзотермические реакции), либо поглощением теплоты (эндотермические реакции). При этом если прямая реакция экзотермична, то обратная сопровождается поглощением тепла и наоборот. В рассматриваемом примере прямой процесс образования аммиака происходит с выделением тепла. В соответствии с принципом Ле Шателье при повышении температуры равновесие будет смещаться в сторону обратной реакции и выход аммиака будет уменьшаться.

Итак, при повышении температуры равновесие всегда смещается в сторону эндотермической реакции. Для тех немногих реакций, которые не сопровождаются тепловыми эффектами, изменение температуры не приводит к нарушению равновесия.

Влияние изменения давления на смещение химического равновесия

Изменение внешнего давления приводит к заметному нарушению равновесия лишь в тех случаях, когда в реакции участвуют газообразные вещества. Исходя из принципа Ле Шателье, при увеличении внешнего давления равновесие смещается в сторону той реакции, которая сопровождается уменьшением количества газообразных веществ, т. е. приводит к уменьшению давления в системе. Наоборот, при понижении внешнего давления равновесие смещается в сторону увеличения количества газообразных веществ. В рассматриваемом примере прямая реакция протекает с уменьшением количества газообразных веществ (из трех моль водорода и одного моль азота образуется два моль аммиака). Поэтому увеличение внешнего давления приведет к смещению равновесия в сторону прямой реакции.

Таким образом, максимальный выход аммиака может быть получен при увеличении концентрации азота и водорода, уменьшением концентрации образующегося аммиака, при высоком давлении и низкой температуре.

Из сказанного следует, что применение принципа Ле Шателье к обратимым химическим реакциям позволяет управлять химическими процессами, осуществляемыми в лаборатории и в промышленности.

Вопросы для подготовки к занятию

1. Дайте определение понятию «стандартная энтальпия образования вещества».

• Рассчитайте энтальпию образования аммиака, если при взаимодействии 1 моля азота и 3 молей водорода выделяется 92,4 кДж.

• Рассчитайте энтальпию образования H₂О, если при взаимодействии 2 молей водорода и 1 моля кислорода выделяется 483,6 кДж.

• Рассчитайте энтальпию образования CH₄, если при взаимодействии 3 молей углерода и 6 молей водорода выделяется 324,4 кДж

2. Охарактеризуйте термодинамические величины Н, S и G. Может ли самопроизвольно протекать реакция, для которой энтальпия и энтропия меньше 0 (H>0, S>0; H<0, S>0)? При какой температуре (высокой, низкой, любой) реакция возможна? Ответ обоснуйте.

3. Реакция неосуществима во всем температурном интервале. При каких значениях H, S и G это возможно? Ответ обоснуйте. Охарактеризуйте каждую термодинамическую величину.

4. При какой температуре возможно протекание реакции, если Н = 200 кДж, S = 200кДж/К? При какой температуре наступит состояние динамического равновесия?

5. Скорость химических реакций (определение) и факторы, влияющие на ее величину.

6. Почему скорость химической реакции не может быть мерой реакционной способности? Раскройте физический смысл константы скорости реакции.

7. Как изменится скорость прямой (обратной) химической реакции H₂ + I₂  2HI при уменьшении давления системе в 2 раза (при уменьшении объема системы в 3 раза; при увеличении давления в 4 раза)?

8. Как и почему с увеличением температуры возрастает скорость химических реакций? Правило Вант Гоффа. Уравнение Аррениуса.

9. Уравнение Аррениуса. Раскройте физический смысл энергии активации. Как изменится скорость химической реакции при уменьшении энергии активации?

10. Гомогенный и гетерогенный катализ (примеры). Катализаторы. Чем объясняется повышение скорости реакции при введении в систему катализатора?

11. Константа равновесия К_р и К_с для реакции: H_2(г) + I_2(г)  2HI_(г) [3H_{2 (г)} + N_{2 (г)}  2NH_{3 (г)}; С_(т) + СО_2(г)  2СО_(г) ]. Взаимосвязь между К_р и К_с

12. Как влияет температура на абсолютную величину константы равновесия, если реакция экзотермическая (эндотермическая)?

13. Сформулируйте принцип Ле Шателье. Назовите все способы смещения равновесия вправо (влево) реакции:

• 2NO_2(г)  2NO _(г) + O_{2 (г)} Н = + 73,6 кДж;

• 2NO_(г) + Cl_{2( г )}  2NOCl _(г) Н = + 73,6 кДж;

• CaO_(т) + CO_{2 (г)}  CaCO_{3 (т)} Н = –178,4 кДж;

• 2CO_(г)  CO_{2 (г)} + C _(т) Н = –171,0 кДж;