№22. Химическое равновесие: как работает принцип Ле Шателье
Задание №22 требует определить, куда сместится химическое равновесие при изменении давления, температуры или концентрации. Все решения опираются на один принцип Ле Шателье и на подсчёт молей газа. Разберём, что такое динамическое равновесие, как считать моли газа и почему катализатор равновесие не смещает.
Обратимая реакция не идёт до полного расходования веществ: одновременно с прямой реакцией всё время протекает обратная. Когда скорость прямой реакции становится равна скорости обратной, наступает химическое равновесие. С этого момента концентрации веществ перестают меняться, но сами реакции не прекращаются, поэтому такое равновесие называют динамическим. Состояние равновесия можно сдвинуть, изменив условия.
N2 (г) + 3H2 (г) ⇄ 2NH3 (г) + Q (kat., t)
Если на систему, находящуюся в равновесии, оказать внешнее воздействие, равновесие сместится в ту сторону, которая ослабляет это воздействие. Это принцип Ле Шателье. Из него вытекают четыре рабочих правила. Добавили исходное вещество — равновесие уходит в сторону продуктов, потому что система старается его израсходовать. Повысили давление — равновесие уходит туда, где газообразных молей меньше, ведь так давление снижается. Повысили температуру — равновесие уходит в сторону эндотермической реакции, которая поглощает тепло. Ввели катализатор — равновесие не смещается вовсе, потому что катализатор ускоряет обе реакции одинаково.
| Воздействие на систему | Куда смещается равновесие | Пример |
|---|---|---|
| Увеличить концентрацию исходного вещества | в сторону продуктов реакции | добавили N2 в систему N2 + 3H2 ⇄ 2NH3 |
| Увеличить концентрацию продукта | в сторону исходных веществ | добавили NH3 в ту же систему |
| Отводить продукт из системы | в сторону продуктов реакции | постоянный отбор аммиака |
| Повысить давление | в сторону меньшего числа молей газа | N2 + 3H2 ⇄ 2NH3: 4 моль газа слева, 2 справа, равновесие идёт вправо |
| Понизить давление | в сторону большего числа молей газа | CaCO3 (тв) ⇄ CaO (тв) + CO2 (г): 0 моль газа слева, 1 справа, равновесие идёт вправо |
| Повысить температуру | в сторону эндотермической реакции | N2 + 3H2 ⇄ 2NH3 + Q: равновесие идёт влево |
| Понизить температуру | в сторону экзотермической реакции | N2 + 3H2 ⇄ 2NH3 + Q: равновесие идёт вправо |
| Ввести катализатор | равновесие не смещается, только быстрее достигается | синтез аммиака на железном катализаторе |
| Изменить давление в системе без газов | равновесие не смещается | HF (раств.) ⇄ H^+ (раств.) + F^− (раств.) |
При подсчёте молей газа учитывай только вещества с пометкой «г» и обязательно складывай коэффициенты. Твёрдые и жидкие вещества в подсчёт не входят, потому что собственного давления в газовой фазе они не создают. В системе CaCO3 (тв) ⇄ CaO (тв) + CO2 (г) слева газов 0 моль, а справа 1 моль, поэтому повышение давления сместит равновесие влево, к карбонату кальция, а понижение давления — вправо. А вот в равновесии диссоциации HF газов нет ни слева, ни справа, поэтому изменение давления на него не влияет, и правильным ответом будет «практически не смещается».
Про катализатор спрашивают почти в каждом варианте, поэтому запомни твёрдо: катализатор не меняет положение равновесия и не увеличивает выход продукта. Он только сокращает время, за которое система приходит к равновесию. В промышленном синтезе аммиака выход задают давление и температура, а катализатор нужен лишь для скорости реакции. Точно так же не влияет на равновесие и изменение давления в системах, где газов нет вовсе, например при диссоциации слабой кислоты в растворе.
- Шаг 1. Определи, какое воздействие описано в условии: концентрация, давление, температура или катализатор.
- Шаг 2. Для давления посчитай число молей газа слева и справа, складывая коэффициенты и пропуская твёрдые вещества и жидкости.
- Шаг 3. Сравни суммы: если повышают давление, равновесие идёт туда, где молей газа меньше; если понижают — туда, где их больше; при равенстве сумм смещения нет.
- Шаг 4. Для температуры найди тепловой эффект: повышение температуры помогает эндотермической стороне, понижение — экзотермической.
- Шаг 5. Для концентрации помни, что система расходует то, что добавили: равновесие уходит в противоположную сторону, а отвод продукта тянет равновесие к продуктам.
- Шаг 6. Проверь, не подходит ли вариант «не происходит смещения равновесия»: он верен, когда газы слева и справа скомпенсированы, газов нет вовсе или действует катализатор.
Типичные ошибки. 1) Считают моли всех веществ подряд, включая твёрдые: CaCO3 и CaO давления не создают, поэтому в системе CaCO3 (тв) ⇄ CaO (тв) + CO2 (г) сравнивают 0 и 1 моль газа. 2) Забывают коэффициенты: в N2 + 3H2 ⇄ 2NH3 слева 4 моль газа, а не 2, и именно поэтому равновесие идёт вправо. 3) Путают направление при давлении: равновесие смещается в сторону меньшего числа молей газа, а не большего. 4) Верят, что катализатор повышает выход продукта: он только ускоряет достижение равновесия. 5) Применяют правило давления к системе без газов, например к диссоциации HF в растворе, где смещения не будет. 6) Путают знак теплового эффекта: если реакция записана как N2 + 3H2 ⇄ 2NH3 + Q, то повышение температуры сместит равновесие влево, к исходным веществам.
Проверь себя
- Почему катализатор не смещает химическое равновесие, хотя и ускоряет реакцию?
- Как изменится выход аммиака в реакции N2 + 3H2 ⇄ 2NH3 + Q при повышении температуры и почему?
- Куда сместится равновесие CaCO3 (тв) ⇄ CaO (тв) + CO2 (г) при повышении давления?
- Что произойдёт с равновесием, если из системы постоянно отводить продукт реакции?
- Почему изменение давления не влияет на равновесие HF (раств.) ⇄ H^+ (раств.) + F^− (раств.)?
Показательные решения
- Условие: давление в системе увеличивают, и для каждого из четырёх уравнений нужно указать направление смещения равновесия.
- По принципу Ле Шателье система ослабляет рост давления, уходя в ту сторону, где газообразных молей меньше. Значит, работа сводится к подсчёту молей газа по коэффициентам.
- А) N2 (г) + 3H2 (г) ⇄ 2NH3 (г): слева 1 + 3 = 4 моль газа, справа 2 моль. Равновесие смещается в сторону продуктов реакции, это вариант 1.
- Б) 2H2 (г) + O2 (г) ⇄ 2H2O (г): слева 3 моль, справа 2 моль. Тоже смещение в сторону продуктов реакции, вариант 1.
- В) H2 (г) + Cl2 (г) ⇄ 2HCl (г): слева 2 моль и справа 2 моль, суммы равны, поэтому при изменении давления смещения не произойдёт — вариант 3.
- Г) SO2 (г) + Cl2 (г) ⇄ SO2Cl2 (г): слева 2 моль, справа 1 моль, равновесие смещается в сторону продукта реакции, вариант 1.
- Записываем цифры подряд: 1, 1, 3, 1. Ответ: 1131.
Ответ: 1131
Официальное решение из банка ФИПИ
По правилу Ле Шателье, при увеличении давления в системе равновесие сдвинется в сторону реакции с меньшим количеством моль газов в качестве продукта, значит: А) N₂ (г) + 3H₂ (г) ⇄ 2NH₃ (г) — смещается в сторону продуктов реакции (1); Б) 2H₂ (г) + O₂ (г) ⇄ 2H₂O (г) — смещается в сторону продуктов реакции (1); В) H₂ (г) + Cl₂ (г) ⇄ 2HCl_ (г) — не происходит смещения равновесия (3); Г) SO₂ (г) + Cl₂ (г) ⇄ SO₂Cl₂ (г) — смещается в сторону продуктов реакции (1). Ответ: 1131.
- Давление повышают; нужно найти направление смещения равновесия в каждой системе. Считаем только газообразные частицы.
- А) CaCO3 (тв) ⇄ CaO (тв) + CO2 (г): карбонат и оксид кальция — твёрдые вещества, в подсчёт они не входят. Слева 0 моль газа, справа 1 моль, значит повышение давления смещает равновесие влево, в сторону исходных веществ — вариант 2.
- Б) 2SO3 (г) ⇄ O2 (г) + 2SO2 (г): слева 2 моль газа, справа 1 + 2 = 3 моль, поэтому равновесие тоже идёт в сторону исходных веществ — вариант 2.
- В) HF (раств.) ⇄ H^+ (раств.) + F^− (раств.): газообразных веществ нет ни слева, ни справа, поэтому давление на это равновесие практически не влияет — вариант 3.
- Г) SO2 (г) + Br2 (г) ⇄ SO2Br2 (г): слева 2 моль газа, справа 1 моль, равновесие смещается в сторону продукта реакции — вариант 1.
- Получаем ряд 2, 2, 3, 1. Ответ: 2231.
Ответ: 2231
Официальное решение из банка ФИПИ
Если на систему, находящуюся в равновесии, оказать внешнее воздействие, то равновесие сместится в сторону, ослабляющую это воздействие. Если внешним воздействием является увеличение давления, то система будет стремиться уменьшить давление, а значит, равновесие будет смещаться в сторону меньшего количества газообразных частиц. А) 0 моль ↔ 1 моль (учитываем только газы), равновесие сместится в сторону исходных веществ (2). Б) 2 моль ↔ 3 моль, равновесие сместится в сторону исходных веществ (2). В) 0 моль ↔ 0 моль (учитываем только газы), равновесие практически не смещается (3). Г) 2 моль ↔ 1 моль, равновесие сместится в сторону продуктов реакции (1). Ответ: 2231.
- В этом задании давление, наоборот, уменьшают. Система стремится увеличить давление, поэтому равновесие смещается в сторону большего числа молей газа — правило читается в обратную сторону.
- А) CaCO3 (тв) ⇄ CaO (тв) + CO2 (г): слева 0 моль газа, справа 1 моль. При понижении давления равновесие уходит вправо, в сторону продуктов реакции — вариант 1.
- Б) 2SO2 (г) + O2 (г) ⇄ 2SO3 (г): слева 3 моль газа, справа 2 моль, значит равновесие смещается в сторону исходных веществ — вариант 2.
- В) N2 (г) + 3H2 (г) ⇄ 2NH3 (г): слева 4 моль газа, справа 2 моль, снова смещение в сторону исходных веществ — вариант 2.
- Г) C (тв) + CO2 (г) ⇄ 2CO (г): твёрдый углерод в подсчёт не входит, слева 1 моль газа, справа 2 моль, равновесие идёт в сторону продуктов реакции — вариант 1.
- Ряд получается 1, 2, 2, 1. Ответ: 1221.
Ответ: 1221
Официальное решение из банка ФИПИ
Если на систему, находящуюся в равновесии, оказать внешнее воздействие, то равновесие сместится в сторону, ослабляющую это воздействие. Если внешним воздействием является уменьшение давления, то система будет стремиться увеличить давление, а значит, равновесие будет смещаться в сторону большего количества газообразных частиц. А) 0 моль ↔ 1 моль (учитываем только газы), равновесие сместится в сторону продуктов реакции (1). Б) 3 моль ↔ 2моль, равновесие сместится в сторону исходных веществ (2). В) 4 моль ↔ 2 моль, равновесие сместится в сторону исходных веществ (2). Г) 1 моль ↔ 2 моль (учитываем только газы), равновесие сместится в сторону продуктов реакции (1). Ответ: 1221.