Примеры решения задач. Задача 1. Во сколько раз изменится скорость прямой реакции n2(г)+3н2(г)↔ 2nh3(г), если давление в системе увеличить в 2 раза?

Задача 1. Во сколько раз изменится скорость прямой реакции N₂(г)+3Н₂(г)↔ 2NH₃(г), если давление в системе увеличить в 2 раза?

Решение

Увеличение давления в системе в 2 раза равносильно уменьшению объема системы в 2 раза. При этом концентрации реагирующих веществ возрастут в 2 раза. Согласно закону действующих масс, начальная скорость реакции равна υ_н = k ∙[N₂]∙[H₂]³. После увеличения давления в 2 раза концентрации азота и водорода увеличатся в 2 раза, и скорость реакции станет равна υ_к = k ∙2[N₂]∙2³[H₂]³ = k ∙16[N₂]∙[H₂]³. Отношение υ _{к .}/υ_н показывает, как изменится скорость реакции после изменения давления. Следовательно, υ _к /υ_н = k ∙16[N₂]∙[H₂]³/ k ∙[N₂]∙[H₂]³=16.

Ответ: скорость реакции увеличится в 16 раз.

Задача 2. Во сколько раз изменится скорость прямой и обратной реакции в системе: 2SO₂(г) + O₂(г) ↔2SO₃(г), если объем газовой смеси уменьшить в три раза? В какую сторону сместится равновесие системы?

Решение

Обозначим концентрации реагирующих веществ: [SO₂] = а,

[O₂] = b, [SO₃] = c. Согласно закону действия масс, скорости и прямой и обратной реакций до изменения объема

υ_пр = k · а ²· b; υ_обр = k ₁· с ₂.

После уменьшения объема гомогенной системы в три раза концентрация каждого из реагирующих веществ увеличится в три раза: [SO₂] = 3 a, [O₂] = 3 b, [SO₃] = 3 c. При новых концентрациях скорости υ' прямой и обратной реакций: υ'_пр = k ·(3 a)²·(3 b) = 27· k · a ²· b; υ'_обр= k ₁·(3 с)²= = 9· k ₁· с ². Отсюда

Следовательно, скорость прямой реакции увеличилась в 27 раз, а обратной – только в девять раз. Равновесие системы сместилось в сторону образования SO₃.

Задача 3. В реакции С(т)+2H₂(г) ↔ CH₄(г) концентрацию водорода уменьшили в 3 раза. Как изменится скорость реакции?

Решение

Согласно закону действующих масс, начальная скорость реакции равна υ_н= k ∙[H₂]². После уменьшения концентрации водорода в 3 раза скорость станет равна υ_к= k ∙(1/3)²[H₂]² =1/9 k [H₂]². После изменения концентрации водорода скорость изменится следующим образом: υ_к/υ_н=1/9 k [H₂]²/ k [H₂]²=1/9.

Ответ: скорость реакции уменьшится в 9 раз.

Задача 4. Во сколько раз возрастет скорость реакции при повышении температуры с 10 до 30 ^oС (γ = 3)?

Решение

При увеличении температуры с 10 до 30 ^oС скорость реакции в соответствии с правилом Вант-Гоффа возрастает:

υ₂/υ₁=γ^(t2-t1)/10,

где t ₂=30 ^oC, t ₁=10 ^oC, а υ₂ и υ₁ – скорости реакции при данных температурах.

Получаем υ₂/υ₁=3^(30–10)/10=3²=9, т.е. скорость реакции увеличится в 9 раз.

Ответ: 9.

Задача 5. Вычислите, во сколько раз увеличится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры от 30 до 70 ^oС, если температурный коэффициент реакции равен 2.

Решение

Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется эмпирическим правилом Вант-Гоффа по формуле

.

Следовательно, скорость реакции при температуре 70 ^oС больше скорости реакции при температуре 30 ^oС в 16 раз.

Задача 6. Равновесие реакции 2H₂(г)+O₂(г) ↔ 2H₂O(г); ∆ H <0 смещается вправо:

1) при уменьшении давления; 2) при увеличении давления?

Решение

Все вещества в системе – газы. В соответствии с принципом Ле Шателье, повышение давления приводит к смещению равновесия в сторону реакции, приводящей к меньшему количеству молей газов, т.е. в сторону образования Н₂О. Следовательно, повышение давления в системе смещает равновесие реакции вправо.

Ответ: при увеличении давления.

Задача 7. В какую сторону сместится равновесие реакции 2SO₂(г)+O₂(г)↔ 2SO₃(г); ∆ H <0 при повышении температуры?

Решение

Поскольку ∆ H <0, теплота выделяется в ходе прямой реакции, которая является экзотермической. Обратная реакция будет эндотермической. Повышение температуры всегда благоприятствует протеканию реакции с поглощением теплоты, т.е. равновесие сместится в сторону исходных веществ.

Ответ: влево.

Задача 8. Определите константу равновесия реакции NOCl₂(г)+NO(г) ↔ 2NOCl(г), если при некоторой температуре равновесные концентрации веществ составляют [NOCl₂]=0,05; [NO]=0,55; [NOCl]=0,08 моль/л.

Решение

Константа равновесия обратимой химической реакции равна отношению произведения равновесных концентраций продуктов к произведению равновесных концентраций исходных веществ. Значение каждой из концентраций должно быть возведено в степень, равную стехиометрическому коэффициенту перед соответствующим веществом в уравнении реакции. Поэтому

.

Ответ: 0,233.

Задача 9. Эндотермическая реакция разложения пентахлорида фосфора протекает по уравнению:

РСl₅(г)↔ РСl₃(г)+Сl₂(г); ∆ Н = + 92,59 кДж.

Как надо изменить: а) температуру; б) давление; в) концентрацию, чтобы сместить равновесие в сторону прямой реакции – разложения РСl₅?

Решение

Смещением, или сдвигом химического равновесия, называют изменение равновесных концентраций реагирующих веществ в результате изменения одного из условий реакции. Направление, в котором сместилось равновесие, определяется по принципу Ле Шателье: а) так как реакция разложения PCl₅ эндотермическая (∆ Н > 0), то для смещения равновесия в сторону прямой реакции нужно повысить температуру; б) так как в данной системе разложение PCl₅ ведет к увеличению объема газообразных веществ (из одной молекулы газа образуются две газообразные молекулы), то для смещения равновесия в сторону прямой реакции надо уменьшить давление; в) смещение равновесия в указанном направлении можно достигнуть как увеличением концентрации PCl₅, так и уменьшением концентрации PCl₃ или Cl₂.

Задача 10. Один моль аммиака поместили в сосуд объемом 20 л и нагрели до 600 ^oC. Давление в сосуде оказалось равным 435 кПа. Рассчитайте степень разложения аммиака.