Химическое равновесие. 1. Глинка Н. Л. "общая химия". - М. : Интеграл-Пресс

(задачи №№ 201 – 225).

Литература:

1. Глинка Н.Л. "Общая химия". - М.: Интеграл-Пресс. 2009г. 204 - 210с.

2. Коробейникова Е.Г., Чуприян А.П., Аксенов А.Н. Вопросы и задачи по химии. СПб. 2001 г. 16 - 17с

3. Глинка Н.Л. "Задачи и упражнения по общей химии". - Учебное пособие. - М.: КНОРУС, 2011, 240с.

Виды химических реакций. Константа равновесия обратимой реакции. Влияние температуры, давления, концентрации реагирующих веществ, добавок инертных газов и катализаторов на химическое равновесие. Принцип Ле Шателье и управление реакциями горения.

Характеристика цепных реакций. Цепные реакции как основа процессов окисления. Неразветвленные и разветвленные цепные реакции. Цепные реакции с вырожденным разветвлением.

Пример 9.1. Какими способами можно увеличить выход конечного продукта в следующей обратимой реакции: 2SO₂ + O₂ + Q «2SO₃. Реакция протекает в газовой фазе.

Решение:

Увеличение выхода конечного продукта SO₃ возможно в том случае, если равновесие в данной обратимой реакции будет смещено в сторону образования продукта реакции, т.е. вправо.

Влияние различных условий на смещение равновесия описывается принципом Ле Шателье.

1. Влияние температуры. Данная прямая реакция идет с поглощением тепла, т.е. является эндотермической.

Принцип Ле Шателье: увеличение температуры смещает равновесие в сторону эндотермических реакций (нагрев способствует протеканию эндотермической реакции);

уменьшение температуры смещает равновесие в сторону экзотермических реакций (охлаждение уменьшает выход продуктов эндотермической реакции).

Для увеличения выхода SO₃ (для смещения равновесия вправо) необходим нагрев реакционной системы.

2. Влияние давления (учитываются только газообразные вещества).

Реакция протекает в газовой фазе. Исходные вещества занимают больший объем

(3 V). Конечные вещества SO₃ только 2 V.

Принцип Ле Шателье: повышение давления (сжатие) сдвигает равновесие в сторону веществ, занимающих меньший объем, т.е. в прямом направлении. Понижение давления (расширение системы) в сторону веществ, занимающих больший объем.

В нашем случае реакция идет с уменьшением объема, следовательно, процесс нужно проводить при высоком давлении. В этом случае выход SO₃ увеличится.

3. Влияние концентрации реагирующих веществ.

Принцип Ле Шателье:

Увеличение концентрации исходных веществ увеличивают выход продуктов реакции (сдвигают равновесие в сторону прямой реакции).

Уменьшение концентрации конечных веществ (т.е. отвод продуктов реакции из системы) увеличивает выход продуктов реакции (сдвигают равновесие в сторону прямой реакции).

Увеличение концентрации конечных веществ сдвигает равновесие в сторону обратной реакции (не способствует выходу продуктов реакции).

В данной задаче для увеличения выхода SO₃ необходимо увеличить концентрации исходных SO₂ и O₂, и уменьшить концентрацию SO₃ (т.е. обеспечить отвод продуктов реакции).

Варианты заданий

201. Как изменится скорость реакции:

2 NO_(г) + O_{2 (г)} «2NO_2(г)

если увеличить объем реакционного сосуда в четыре раза?

202. В каком направлении произойдет смещение равновесия системы:

Н_{2 (г)} + 2 S_(тв) «2 H₂S _(г) Q = 21,0 кДж,

если а) повысить температуру системы,

б) увеличить концентрацию водорода?

203. В каком направлении сместится равновесие в системах:

а) CO_(г) + Cl_2(г) «COCl_{2 (г),}

б) Н_2(г) + I_2(г) «2HI_(г),

если при неизменной температуре уменьшить давление путем увеличения объема газовой смеси?

204. В каком направлении произойдет смещение равновесия в системе:

2 СО_(г) «СО_2(г) + С_(тв) Q = 171 кДж,

если а) понизить температуру системы,

б) понизить давление в системе?

205. Во сколько раз изменится скорость реакции

2 А + В «А₂В,

если концентрацию вещества А увеличить в 2 раза, а концентрацию вещества В уменьшить в 2 раза?

206. В каком направлении произойдет смещение равновесия в системе:

2 SO_3(г) «2 SO_2(г) + O_2(г) Q = - 192 кДж,

если а) повысить температуру системы,

б) понизить концентрацию SO₂?

207. Во сколько раз следует увеличить концентрацию вещества В₂ в системе

2 А_2(г) + В_2(г) «2 А₂В_(г), чтобы при уменьшении концентрации вещества А₂ в 4 раза скорость прямой реакции не изменилась?

208. В каком направлении произойдет смещение равновесия в системе:

СОСl_2(г) «CO_(г) + Cl_2(г),

если а) повысить давление в системе,

б) увеличить концентрацию СОСl₂?

209. Как изменится скорость реакции:

2 NO_(г) + O_2(г) «2 NO_2(г),

если а) увеличить давление в системе в 3 раза,

б) уменьшить объем системы в 3 раза,

в) повысить концентрацию NO в 3 раза?

210. В каком направлении произойдет смещение равновесия в системе:

CO_(г) + Cl_2(г) «COCl_2(г),

если а) увеличить объем системы,

б) увеличить концентрацию СО?

211. В каком направлении произойдет смещение равновесия в системе:

2 N₂O_5(г) «4 NO_2(г) + 5 O_2(г),

если а) увеличить концентрацию О₂,

б) расширить систему?

212. Выведите уравнение константы химического равновесия для реакции: MgO_(тв) + CO_2(г) «MgCO_3(тв) Q > 0.

Какими способами можно сместить химическое равновесие этой реакции влево?

213. Как изменятся скорости прямой и обратной реакции и в какую сторону сместится равновесие в системе А _(г)+ 2 В_(г) «АВ_2(г), если увеличить давление всех веществ в 3 раза?

214. При состоянии равновесия в системе:

N_2(г) + 3 H_2(г) «2 NH_3(г) Q = 92,4 кДж

определить, в каком направлении сместится равновесие

а) с ростом температуры,

б) при уменьшении объема реакционного сосуда?

215. В каком направлении произойдет смещение равновесия в системе:

CO_2(г) + Н₂O_(г) «H₂CO_3(тв) +Q,

при а) расширении системы,

б) при увеличении концентрации углекислого газа?

216. Как изменится скорость прямой и обратной реакции в системе:

2 SO_2(г) + O_2(г) «SO_3(г),

если уменьшить объем реактора в 2 раза? Повлияет ли это на равновесие в системе?

217. Указать, какими изменениями концентраций реагирующих веществ можно сместить вправо равновесие реакции:

СО_2(г) + С_(тв) «2 CO_(г).

218. При каких условиях равновесие реакции:

4 Fe_(тв) + 3 O_2(г) «2 Fe₂O_{3 (тв)},

будет смещаться в сторону разложения оксида?

219. Обратимая реакция протекает в газовой фазе и в уравнении прямой реакции сумма стехиометрических коэффициентов больше, чем в уравнении обратной. Как будет влиять на равновесие в системе изменение давления? Объясните.

220. Какие условия будут способствовать большему выходу В по реакции: 2 А_(г) + Б_2(г) «2В_(г), Q =100 кДж.

221. Метанол получается в результате реакции:

CO_(г) + 2 Н_{2 (г)} «CH₃OH_(ж) Q = 127,8 кДж.

Как будет смещаться равновесие при повышении

а) температуры,

б) давления?

222. Как повлияет на выход хлора в системе:

4 HCl_(г) + О_2(г) «2 Cl_2(г) + 2 Н₂О_(ж), Q = 202,4 кДж,

а) повышение температуры в системе,

б) уменьшение общего объема смеси,

в) уменьшение концентрации кислорода,

г) увеличение общего объема реактора,

д) введение катализатора?

223. В каком направлении сместятся равновесия в системах:

1) 2 CO_(г) + О_2(г) «2 CO_{2 (г),} Q = 566 кДж,

2) N_2(г) + О_2(г) «2 NO_(г) , Q = - 180 кДж,

если а) понизить температуру,

б) повысить давление?

224. В каком направлении сместятся равновесия в системах:

1) 2 CO _(г) + О_2(г) «2 CO_2(г) , Q = 566 КДж,

2) N_2(г) + О_2(г) «2 NO _(г) , Q = - 180 кДж,

если а) повысить температуру,

б) понизить давление?

225. Как повлияет на равновесие в следующeй реакции:

CaCO_3(тв) «CaO_(тв) + СО_2(г) , Q = - 179 кДж,

а) повышение давления,

б) повышение температуры?

10. ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

(задачи №№ 226 – 250).

Литература:

1. Глинка Н.Л. "Общая химия". - М.: Интеграл-Пресс. 2009г. 273 - 286 с.

2. Коробейникова Е.Г., Чуприян А.П., Аксенов А.Н. Вопросы и задачи по химии. СПб. 2001 г. 22 - 23с

3. Глинка Н.Л. "Задачи и упражнения по общей химии". - Учебное пособие. - М.: КНОРУС, 2011, 240с.

Для выполнения заданий можно воспользоваться таблицей электродных потенциалов (таблица 2 приложения).

При изучении темы обратите внимание на следующие основные вопросы.

Скачок потенциала на границе раздела фаз в электрохимической системе. Двойной электрический слой и его строение. Гальваническая цепь. ЭДС гальванического элемента. Электродные потенциалы. Ряд напряжений металлов. Уравнение Нернста.

Классификация гальванических элементов. Первичные, вторичные, концентрационные, топливные элементы. Химические источники электрической энергии. Аккумуляторы.

Электролиз. Особенности электрохимических реакций при электролизе. Пожарная опасность процессов электролиза.

Для выполнения заданий можно воспользоваться таблицей электродных потенциалов (таблица 2 приложения).

Пример 10.1. Вычислить значение потенциала медного электрода в

0.01 М растворе сернокислой меди (Cu SO₄).

Решение:

При стандартных условиях электродные потенциалы имеют строго определенные значения, приведенные в таблице 2 приложения.

Для условий, отличных от стандартных, электродные потенциалы могут быть рассчитаны по уравнению Нернста

, где

E - электродный потенциал, B;

E_{0 -} стандартный электродный потенциал, B;

R - универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж/моль×К;

T - абсолютная температура, K;

F - число Фарадея, F = 9.6485×10⁴ Кл;

n - степень окисления ионов металлов.

Уравнение Нернста после подстановки в него значений R, F и T приобретает для 25⁰С (298 К) следующий вид:

.

1. По условию задачи медный электрод не является стандартным. Значение электродного потенциала находим по уравнению Нернста.

Е₀ (Cu/Cu²⁺) = 0,34 В, [ Cu²⁺] = 0,01 = 10^{-2 М, заряд ионов меди n = 2,}

следовательно,

0,281 В.

Ответ: потенциал медного электрода 0,281 В.

Пример 10.2. Рассчитать значение потенциала водородного электрода при стандартном давлении и рН = 6.

Решение:

Потенциал стандартного водородного электрода условно принят равным 0. При концентрации ионов водорода, отличной от 1 М, потенциал необходимо рассчитать, используя уравнение Нернста.

При рН = 6 концентрация ионов водорода составит

[H⁺] = 10^-pH = 10^-6 моль/л.

Тогда потенциал водородного электрода составит

Ответ: потенциал водородного электрода – 0,354 В.

Пример 10.3. Рассчитать ЭДС гальванического элемента, состоящего из магниевого и свинцового электродов, погруженных в растворы их солей с концентрацией ионов магния 0,0001 М и ионов свинца 0,001 М. Составить схему гальванического элемента, записать полуреакции, протекающие на электродах.

Решение.

Значение электродных потенциалов находим по уравнению Нернста

.

Е₀ (Mg/Mg^{2 +}) = – 2,37 В, [ Mg^{2 +}] = 0,0001 = 10^-4 моль/л, заряд ионов магния

n = +2, следовательно:

– 2, 448 В.

Е₀(Pb/Pb^{2 +}) = + 0.99 В, [ Pb^{2 +}] = 0.001 = 10^-3 моль/л, заряд ионов свинца

n = +2, следовательно:

0,902 В.

Е (Mg/Mg^{2 +}) < Е (Pb/Pb^{2 +}), следовательно, электрод магния является анодом.

Схема гальванического элемента:

Mg ½ Mg²⁺ (Mg²⁺ 10^-4)½½ Pb ½ Pb²⁺ (Pb²⁺ 10^-3)

а н о д к а т о д

Реакция на аноде: Mg ⁰- 2 e^- = Mg²⁺

Реакция на катоде: Pb²⁺ + 2 e^- = Pb⁰

ЭДС гальванического элемента определяем по формуле:

ЭДС = E _Pb – E _Mg = 0,902 – (– 2, 488) = 3,39 В

Ответ: ЭДС гальванического элемента 3,39 В.

Варианты заданий

226. При каком условии будет работать гальванический элемент, электроды которого сделаны из одного и того же металла? Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите электродвижущую силу гальванического элемента, в котором один никелевый электрод находится в 0,001 М растворе, а другой такой же электрод в 0,01 М растворе сульфата никеля?

227. Рассчитать электродвижущую силу элемента, в котором при 298 К установилось равновесие Zn + Sn²⁺ «Zn²⁺ + Sn при концентрации ионов цинка 10^-4 моль/л, а ионов олова 10^-2 моль/л.

228. Никелевый и кобальтовый электроды опущены соответственно в растворы нитратов никеля и кобальта. В каком соотношении должны быть концентрации ионов этих металлов, чтобы потенциалы обоих электродов были одинаковыми?

229. Электродвижущая сила элемента, состоящего из медного и свинцового электродов, погруженных в 1 М растворы солей этих металлов, равна 0,47 В. Изменится ли э.д.с., если взять 0,001 М растворы? Ответ обосновать.

230. Составить схему гальванического элемента, состоящего из пластин цинка и железа, погруженных в растворы их солей. Напишите электронные уравнения процессов, протекающих на аноде и катоде. Какой концентрации надо было бы взять ионы железа (в моль/л), чтобы э.д.с. элемента стала равной нулю, если концентрация ионов цинка равна 0,001 моль/л.

231. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите э.д.с. гальванического элемента, состоящего из пластин кадмия магния, опущенных в растворы соответствующих солей с концентрацией [Cd²⁺] = [Mg²⁺] = 1 моль/л. Изменится ли величина электродвижущей силы, если концентрацию каждого из ионов понизить до 0,01 моль/л?

232. Электродвижущая сила гальванического элемента, состоящего из стандартного водородного электрода и свинцового электрода, погруженного в 1 М раствор соли свинца, равна 0,126 В. При замыкании элемента электроны во внешней цепи перемещаются от свинцового к водородному электроду. Чему равен потенциал свинцового электрода? Cоставить схему элемента. Какие процессы протекают на электродах?

233. Составьте схему, напишите уравнения электродных процессов гальванического элемента, у которого один электрод цинковый с концентрацией ионов цинка 10^-2 моль/л, а второй - водородный с концентрацией ионов водорода 10^-2 моль/л. Рассчитать э.д.с. этого элемента.

234. Составьте схему, напишите уравнения электродных процессов элемента, состоящего из медной и кадмиевой пластин, опущенных в соответствующие растворы солей с концентрациями ионов [Cu²⁺] = [Cd²⁺] = 0,1 моль/л. Рассчитать э.д.с. этого элемента. Как изменится электродвижущая сила, если концентрация обоих ионов возрастет в 10 раз?

235. Составьте схему элемента с концентрацией ионов серебра 10^-2 моль/л у одного электрода и 10^-4 моль/л у другого электрода. Укажите, какой из электродов будет катодом, а какой – анодом, как называется этот элемент. Рассчитайте электродвижущую силу элемента.

236. Составьте схему элемента с концентрацией ионов серебра 10 ^–1моль/л у одного электрода и 10^-4 моль/л у другого электрода. Укажите, какой из электродов будет катодом, какой анодом. Как называется этот элемент, рассчитайте его э.д.с.

237. Составьте схему, напишите уравнения электродных процессов гальванического элемента, у которого один электрод цинковый с концентрацией ионов цинка 10^-2 моль/л, а второй – водородный с концентрацией ионов водорода 10^-2 моль/л. Рассчитайте э.д.с. этого элемента.

238. Рассчитайте э.д.с. элемента, в котором при 298 К установилось равновесие: Fe + 2 Ag⁺ = Fe²⁺ + 2 Ag при концентрации ионов железа 10^-2 моль/л, а серебра 10^-3 моль/л.

239. Рассчитайте э.д.с. элемента, в котором при 298 К установилось равновесие: Zn + Sn²⁺ = Zn²⁺ + Sn при концентрации ионов цинка 10^-3 моль/л, а ионов олова 10^-6 моль/л. Напишите уравнения электродных реакций.

240. Составьте схему, напишите уравнения электродных реакций элемента, у которого один из электродов литиевый опущен в раствор с концентрацией ионов лития в 10^-1 моль/л, а второй водородный с концентрацией ионов водорода в растворе 10^-10 моль/л. Рассчитайте электродвижущую силу этого элемента.

241. Определить концентрацию ионов меди в растворе, в котором установилось равновесие: Zn + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu, если при 298 К электродвижущая сила элемента равна 1,16 В и концентрация ионов цинка 10^-2 моль/л.

242. Составьте схему, напишите уравнения электродных процессов элемента, состоящего из серебряной и свинцовой пластин, опущенных в растворы соответствующих солей с концентрацией ионов серебра и свинца 1,0 М. Рассчитайте э.д.с. этого элемента. Изменится ли электродвижущая сила, если концентрация ионов свинца уменьшится в 100 раз?

243. Рассчитайте электродвижущую силу элемента, в котором при 298 К установилось равновесие: Сd + Cu²⁺ = Cd²⁺ + Cu при концентрациях ионов кадмия 10^-2 моль/л и меди 10^-3 моль/л.

244. Определить напряжение элемента Zn – Cu, в котором концентрация ионов цинка составляет 0,1 моль/л, а меди 0,001 моль/л.

245. Составьте схему элемента с концентрацией ионов цинка 10^-2 моль/л у одного электрода и 10^-6 моль/л у другого электрода. Укажите анод и катод, рассчитайте э.д.с. этого элемента.

246. Запишите схему гальванического элемента Mg – Cu, вычислите его напряжение и составьте уравнение катодного и анодного процессов.

247. Составьте схему, напишите уравнения электродных реакций элемента, у которого один из электродов литиевый, а второй – водородный. Концентрации ионов лития и водорода в растворах соответственно равны 10^{-1 М и 10-10 М. Рассчитайте э.д.с. этого элемента.}

248. Рассчитайте э.д.с. элемента, в котором при 298 К установилось равновесие: Fe + Ag⁺ = Ag + Fe²⁺. Концентрация ионов железа в растворе составляет 10^-1М, а серебра 10^{-5 М.}

249. Гальванический элемент состоит из серебряного электрода, погруженного в 1М раствор нитрата серебра, и стандартного водородного электрода. Написать уравнения электродных процессов и суммарную реакцию, происходящую при работе элемента. Определить электродвижущую силу элемента.

250. Какой гальванический элемент называется концентрационным? Cоставьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите э.д.с. гальванического элемента, состоящего из серебряных электродов, опущенных соответственно в 0,01 М и 0,1 М растворы нитрата серебра.