Решить индивидуальное задание по теме: кинетика и равновесие химических реакций

5. Кинетика и равновесие химических реакций

Для обратимой реакции (табл. 5), протекающей в газовой фазе, выполните следующие задания:

1. Напишите уравнение для скорости прямой реакции согласно закону действующих масс.
2. Определите, как изменится скорость прямой реакции в следующих условиях:
   а) если концентрацию каждого из исходных веществ увеличить в \(a\) раз;
   б) если объем исходных веществ увеличить в \(b\) раз.

3. Рассчитайте константу равновесия \(K_{c}\), выраженную через концентрации \(c\), и первоначальные концентрации исходных веществ, учитывая заданные значения равновесных концентраций.
4. Укажите согласно принципу Ле Шателье, как следует изменить по величине температуру, давление и концентрации веществ, участвующих в реакции, чтобы сместить равновесие в сторону образования продуктов.

Таблица 5

Пример 5.1. Определите, как изменится скорость прямой реакции
2SO2 + O2 = 2SO3
в следующих условиях:
а) если концентрации исходных веществ увеличить в два раза;
б) если объем газовой смеси увеличить в три раза.

Решение. Напишем уравнение для начальной скорости реакции v1 согласно закону действующих масс:
v1 = k * [SO2]² * [O2],
где k – константа скорости реакции.

а) После увеличения концентраций SO2 и O2 в два раза уравнение для скорости примет вид:
v2 = k * (2 * [SO2])² * 2 * [O2] = 8 * k * [SO2]² * [O2].

Скорость прямой реакции увеличится в 8 раз:
v2 / v1 = 8.

б) После увеличения объема газовой смеси в три раза концентрации веществ соответственно уменьшатся в три раза и выражение для скорости примет вид:

v3 = k * (1/3 * [SO2])² * 1/3 * [O2] = 1/27 * k * [SO2]² * [O2].

Скорость прямой реакции уменьшится в 27 раз:
v3 / v1 = 1/27.

Пример 5.2. Равновесие гомогенной системы 2SO2 + O2 = 2SO3 установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ (моль/дм³): [SO2] = 0,2; [O2] = 0,1; [SO3] = 0,5. Рассчитайте константу равновесия и исходные концентрации SO2 и O2.

Решение. Напишем выражение для константы равновесия и определим ее величину:
Kc = [SO3]² / ([SO2]² * [O2]) = 0,5² / (0,2² * 0,1) = 62,5.

Исходные концентрации SO2 и O2 находим на основе уравнения реакции.
На образование 2 моль SO3 расходуется 2 моль SO2, следовательно, на образование 0,5 моль SO3 требуется 0,5 моль SO2. Учитывая равновесную концентрацию SO2, находим его исходную концентрацию:
[SO2]исх = 0,2 + 0,5 = 0,7 моль/дм³.

На образование 2 моль SO3 необходимо израсходовать 1 моль O2, а для получения 0,5 моль SO3 потребуется 0,5 / 2 = 0,25 моль. Отсюда исходная концентрация кислорода
[O2]исх = 0,1 + 0,25 = 0,35 моль/дм³.

Пример 5.3. Экзотермическая реакция окисления оксида серы (VI) протекает по уравнению

2SO2(г) + O2(г) = 2SO3(г); dH < 0.

Как надо изменить: а) температуру; б) давление; в) концентрации веществ, чтобы сместить равновесие в сторону прямой реакции – образования SO3?

Решение. Изменения, происходящие в системе в результате внешних воздействий, определяются принципом подвижного равновесия – принципом Ле Шателье. Рассмотрим влияние температуры, давления и концентрации на сдвиг равновесия в данной реакции:

а) реакция окисления оксида серы (VI) экзотермическая (dH < 0), поэтому для смещения равновесия в сторону прямой реакции нужно понизить температуру;

б) окисление SO2 ведет к уменьшению объема (из трех молекул газа образуются две газообразные молекулы), следовательно, для смещения равновесия в сторону прямой реакции надо увеличить давление;

в) для смещения равновесия в сторону прямой реакции необходимо увеличить концентрации исходных веществ (SO2 или O2) или уменьшить концентрацию продукта реакции (SO3).