Задачи на константу равновесия

Задачи на константу равновесия.

1. Рассчитать константу химического равновесия K_c для реакции:

NO_2(газ)  SO_2(газ) ⇄ NO_(газ)  SO_3(жидк.) по известным данным:

Оценить возможность самопроизвольного протекания реакции в прямом направлении и значение константы равновесия.

Решение.

Рассчитаем стандартную энергию Гиббса реакции по первому следствию из закона Гесса:

 SО₃  NO  NO₂  SO₂  32 кДж.

 0, следовательно, процесс самопроизвольно протекает в прямом направлении.

Величину K_c найдем из уравнения изотермы Вант-Гоффа:

ΔG⁰_р-и = - RTlnK_c= - 8,31∙T ∙2,303 lgK_c

Отсюда: lgK_c = - ΔG⁰_р-и /19,15T = 32000/(19,15∙298) = 5,6.

K_c  1, т. е. при данной температуре равновесие данной реакции сильно смещено в сторону образования продуктов реакции.

2. Для равновесной реакции: N₂  3H₂ ⇄ 2NH₃ имеются следующие данные:  92,4 кДж,  197,8 Дж/К.

1) Рассчитать: а) температуру, при которой система находится в равновесии (K_c  1);

б) значение константы равновесия при 298 К.

2) Указать направление смещения равновесия при повышении (понижении) температуры.

Решение.

При К_с  1 стандартная энергия Гиббса равна нулю. Тогда из соотношения: получим:

Для данной реакции зависимость энергии Гиббса от температуры выглядит следующим образом:

При стандартной температуре (298 К):

Значение К_с при данной температуре найдем из соотношения:

lgK_{c 298} = - ΔG⁰₂₉₈ /19,15T = 33400/(19,15∙298) = 5,9.

Проведенный расчет показывает, что:

Это означает, что при понижении температуры равновесие смещается в прямом направлении.

Аналогичный вывод можно сделать и исходя из принципа Ле Шателье. Действительно реакция образования аммиака – экзотермическая (   0), следовательно при повышении температуры равновесие смещается в сторону обратной реакции (разложения аммиака), а при понижении температуры – в сторону прямой реакции (синтеза аммиака).

3. Для реакции CO_2(газ)  H_2(газ) ⇄ CO_(газ)  H₂O_(пар) константа равновесия равна 1. Исходные концентрации веществ составили: С₀(СO₂) = 0,2 моль/л; С₀(H₂) = 0,8 моль/л. Рассчитать, при каких концентрациях всех четырех веществ установилось равновесие.

Решение.

Обозначим концентрации С(СО₂) и С(Н₂), вступивших в реакцию, через «х», т. е. С(СO₂)_{прореаг.}  С(H₂)_{прореаг.}  х моль/л.

Тогда: С(СO₂)_равн.  С₀(CO₂)  С(СO₂)_{прореаг.}  0,2  х;

С(H₂)_равн.  С₀(H₂)  С(H₂)_{прореаг.}  0,8  х. Из уравнения реакции видно, что: [СO]  [H₂O]  x.

Выражение для константы равновесия имеет вид:

x²  0,16  0,2x  0,8x  x² x  0,16.

Равновесные концентрации всех веществ равны:

[СO₂]  0,2  0,16  0,04 моль/л;[H₂]  0,8  0,16  0,64 моль/л;

[СO]  [H₂O]  0,16 моль/л.

4. Реакция образования йодистого водорода протекает по уравнению:

H_2(газ)  I_2(газ) ⇄ 2HI_(газ). Исходные концентрации веществ составили: С₀(H₂)  0,02 моль/л; С₀(I₂)  0,04 моль/л. Известно, что в реакцию вступило 50% Н₂.

1) Вычислить константу химического равновесия.

2) В каком направлении сместится равновесие, если:

а) увеличить концентрацию I₂?

б) уменьшить концентрацию HI?

в) увеличить давление?

Решение.

Исходя из уравнения реакции, определяем концентрации веществ, прореагировавших между собой:

С(H₂)_{прореаг.}  0,5·0,02  0,01 моль/л; С(I₂)_{прореаг.}  С(H₂)_{прореаг.}  0,01 моль/л.

Находим равновесные концентрации:

[HI]  2c(H₂)_{прореаг.}  0,02 моль/л (по уравнению реакции);

[H₂]  c₀(H₂)  с(H₂)_{прореаг.}  0,02  0,01  0,01 моль/л;

[I₂]  c₀(I₂)  с(I₂)_{прореаг.}  0,04  0,01  0,03 моль/л.

Подставляем равновесные концентрации в выражение константы равновесия:

Увеличение концентрации I₂ и уменьшение концентрации HI приведет к сдвигу равновесия в сторону прямой реакции. Увеличение давления не вызовет сдвига равновесия.

5. При определенных условиях в системе установилось равновесие:

2NO  O₂ ⇄ 2NO₂. Равновесные концентрации веществ составили:

[NO]  4 моль/л; [O₂]  6 моль/л; [NO₂]  10 моль/л. Найти исходные концентрации NО и О₂.

Решение.

Исходные концентрации равны сумме равновесных концентраций и концентраций вступивших в реакции веществ. Последние можно определить из стехиометрических соотношений:

2NO  O₂ ⇄ 2NO₂

С(NO)_{прореаг.}  [NO₂]  10 моль/л; С(O₂)_{прореаг.}   5 моль/л.

Отсюда: С₀(NO)  [NO]  С(NO)_{прореаг.}  4  10  14 моль/л;

С₀(O₂)  [O₂]  С(O₂)_{прореаг.}  6  5  11 моль/л.