Смещение химического равновесия

Переход равновесной химической системы из одного состояния равновесия (с одними равновесными концентрациями) в другое (с другими равновесными концентрациями) называется смещением химического равновесия, которое происходит в результате изменения температуры, концентрации, давления. Направление смещения химического равновесия определяется принципом Ле Шателье:

Если на систему в состоянии истинного равновесия воздействовать извне, изменяя термодинамические параметры, то равновесие сместится в таком направлении, которое ослабит эффект внешнего воздействия.

При смещении равновесия, вызванного изменением концентраций и давления, константа равновесия остаётся постоянной, при изменении температуры константа равновесия меняется.

Повышение температуры смещает равновесие в сторону эндотермической реакции, понижение — экзотермической.

При увеличении концентрации хотя бы одного из исходных веществ равновесие смещается в сторону продуктов реакции, а при добавлении продуктов — в сторону исходных веществ.

Повышение давления равновесие смещается в сторону той реакции, которая идёт с уменьшением числа молекул.

Изменение давления вызывает смещение равновесия только в реакциях с участием газообразных веществ и притом лишь в тех случаях, где сумма стехиометрических коэффициентов в левой и правой части реакции не равны.

Пример 1. Константа равновесия системы H₂(г) + I₂(г) = 2HI(г) при некоторой температуре равна 40. Определите равновесные концентрации реагирующих веществ, если исходные концентрации этих веществ составляют (в моль/л): [I₂] = 0,01; [H₂] = 0,03.

Решение: Пусть уменьшение концентрации водорода и иода к моменту равновесия будет x. Тогда равновесные концентрации составят (в моль/л):

[I₂] =(0,01– x); [H₂] = (0,03 – x); [HI] = 2x.

Константа равновесия данной реакции равна: Кр = [HI]² / [H₂] ∙ [I₂] = 40.

40= (2x)² / (0,01 – x)(0,03 – x) = 4x² / (x² – 0,04x + 0,0003).

36x² – 1,6x + 0,012 = 0.

Решение этого уравнения даёт два корня:

x₁= 0,0349 моль/л и x₂= 0,0096моль/л

Так как исходная концентрация иода равна 0,01 моль/л, уменьшение концентрации не может превышать эту величину и, следовательно, решением задачи будет x₂= 0,0096моль/л. Тогда равновесные концентрации реагирующих веществ будут равны (в моль/л):

[[H₂]_р = 0,01 – 0,0096 = 0,0004; [I₂]_р = 0,03 – 0,0096 = 0,0204;

[HI]_р = 2∙0,0096 = 0,0192.

Пример 2. Химическое равновесие реакции СО₂(г) + Н₂(г) =СО(г)+Н₂О(г)

установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ (моль/л):[CO₂] = 7,0; [H₂] = 5,0; [CO] = 10; [H₂O] = 14.

Равновесие системы было нарушено вследствие уменьшения концентрации Н₂О до 11 моль/л. Рассчитайте равновесные концентрации реагирующих веществ после сдвига равновесия.

Решение. Уменьшение концентрации Н₂О показывает, что равновесие сместилось в сторону прямой реакции. Таким образом, концентрация СО₂ и Н₂ уменьшилась, а концентрация СО и Н₂О увеличилась. Пусть изменение концентрации реагирующих веществ будет х моль/л. Тогда новые равновесные концентрации после смещения равновесия будут равны (в моль/л):

[CO₂] = (7–x); [H₂] = (5–x); [CO] = (10 + x); [H₂O] = (11 + x).

Константа равновесия данной реакции равна:

Кс = [CO] [H₂O] / [CO₂][H₂] = 10 · 14 / 7 · 5 = 4,0.

4 = (10 +x) (11 +x) / (7 – x)(5 – x) = (110 + 21x + x²) / (35 – 12x + x²).

x² – 23x +10 = 0; x₁ = 22,56; x₂ = 0,44.

Реальное значение имеет второй корень. Следовательно, х = 0,44моль/л.

Новые равновесные концентрации:

[CO₂] = 7,0 – 0,44 = 6,56 моль/л; [H₂] = 5,0 – 0,44 = 4,56 моль/л;

[CO] = 10,0 + 0,44 = 10,44 моль/л; [H₂O] = 11,0 + 0,44 = 11,44 моль/л.