Как найти исходную концентрацию вещества зная равновесную
Перейти к содержимому

Как найти исходную концентрацию вещества зная равновесную

  • автор:

Как решать задание 23 в ЕГЭ по химии на расчет концентраций в равновесной системе: полное руководство.

В этом материале мы разбираем, как решать задание 23 в ЕГЭ по химии на расчет исходных и равновесных концентраций в равновесном химическом процессе. Дается анализ типичных случаев этого задания, когда реакция протекает в прямом и обратном направлении, коэффициенты в уравнении реакции равны или не равны, а также случай с четырьмя участниками реакции.

По этой ссылке вы можете найти тренажер с 20 вариантами этого задания, на котором можно хорошо потренироваться.

Не так давно в ЕГЭ по химии появилось новое задание на равновесные процессы. Раньше такое задание было только одно: требовалось определить, как то или иное внешнее воздействие влияет на положение равновесия. То есть нужно было указать один из трех вариантов в ответе: равновесие смещается вправо, влево или его положение остается неизменным. В новом задании пошли чуть дальше, теперь требуется найти значение исходной или равновесной концентрации веществ, участвующих в равновесном химическом процессе. Можно с уверенностью сказать, что это задание очень простое. Достаточно просто выучить алгоритм решения и далее его применять. В этом материале мы разберем основные типы этого задания, и вы увидите, что алгоритм всегда будет одним и тем же.

В этом задании всегда дается обратимая реакция, иначе нельзя будет говорить о равновесии. Рассмотрим первый самый простой случай.

Случай 1. Реакция протекает в прямом направлении.

Задача 1.

В реактор постоянного объема поместили оксид углерода (II) и хлор. При этом исходная концентрация оксида углерода (II) составляла 1 моль/л, а исходная концентрация хлора 0,8 моль/л. В результате протекания обратимой химической реакции

в реакционной системе установилось химическое равновесие, а равновесная концентрация хлора составила 0,6 моль/л. Определите равновесные концентрации СО и СОCl2.

Итак, реагирует СО с Cl2 с образованием фосгена COCl2. Обратимая реакция описывается уравнением, которое обязательно дается в условии. Пояснения в скобках после формул веществ указывают на то, что все они находятся в газообразном состоянии. Далее в условии всегда дается информация о концентрациях части веществ, а качестве задания требуется найти некоторые другие неизвестные концентрации. Как понять это условие? Прежде всего нам реактор постоянного объема. Это означает, что концентрации газов не могут измениться за счет расширения объема, потому что размер реактора фиксирован. Концентрация может измениться только по причине протекания реакции. Теперь нужно увидеть, что представляет собой наша система в начальный момент времени. Именно к этому моменту времени, когда реакция еще не прошла, и относится термин «исходная концентрация». В начальный момент у нас в реакторе есть только 1 моль/л СО и 0,8 моль/л Cl2, а поскольку фосгена COCl2 еще нет (напомним, что реакция еще не прошла), то его исходная концентрация равна 0 моль/л. После этого протекает реакция. Здесь случай простой, реакция протекает в прямом направлении, то есть концентрации СО и Cl2 уменьшаются за счет того, что эти вещества вступают в реакцию и, следовательно, расходуются. А фосген тогда образуется, и его концентрация растет с 0 моль/л до какой-то величины. Здесь очевидно прямое направление реакции, потому что фосген с нулевой концентрацией не может превратиться по обратной реакции в СО и Cl2, поскольку его просто нет. Но вообще нужно иметь в виду, что суть этой задачи в том и состоит, чтобы определить направление реакции. Если реакция протекает в прямом направлении, то концентрации исходных веществ падают по мере приближения к равновесию, а концентрации продуктов растут. Если реакция протекает в обратном направлении, то все наоборот. В первой задаче случай простой, тем не менее для удобства можно составить вот такую таблицу.

В эту таблицу мы вносим информацию об исходных и равновесных концентрациях веществ, которые даны в условии, и ставим знаки вопроса там, где концентрации нужно найти. Ключ к решению – это нахождение вещества, для которого одновременно известны и исходная, и равновесная концентрации. В нашем случае это Cl2. Поскольку концентрация хлора упала, значит, он расходовался в реакции. Потеря его концентрации за счет реакции составила 0,8 – 0,6 = 0,2 моль/л. То есть на реакцию ушло 0,2 моль/л. Поскольку коэффициенты перед CO и Cl2 в уравнении реакции равны, то число моль вступившего в реакцию СО равно числу моль вступившего в реакцию Cl2. Значит, концентрация СО в ходе реакции упала с исходной 1 моль/л на 0,2 моль/л, которые израсходовались в реакции, и стала равна 0,8 моль/л. Это будет первый ответ. Далее опять же по коэффициентам в уравнении реакции можно сказать, что COCl2 образовалось столько же, сколько потратилось СО или Cl2, то есть 0,2 моль/л, ведь коэффициенты равны. Значит, концентрация COCl2 выросла с 0 моль/л на 0,2 моль/л и стала равна 0,2 моль/л. Это второй ответ.

Случай 2. Реакция протекает в обратном направлении.

Теперь можно рассмотреть случай, когда реакция протекает в обратном направлении. Но это сначала нужно установить по данным условия.

Задача 2.

В реактор постоянного объема поместили сульфурилхлорид SO2Cl2 и Cl2. При этом исходная концентрация SO2Cl2 составила 1,2 моль/л. В результате протекания обратимой химической реакции

в реакционной системе установилось химическое равновесие, а равновесные концентрации SO2 и Cl2 составили 0,3 моль/л и 0,9 моль/л. Определите исходную концентрацию Cl2 и равновесную концентрацию SO2Cl2.

Если в реактор поместили только SO2Cl2 и Cl2, значит, SO2 в реактор не вносили и тогда исходная концентрация SO2 равна 0 моль/л. Снова было бы очень удобно составить таблицу.

Для SO2 известны и исходная, и равновесная концентрации, поэтому отталкиваться надо от него. Концентрация SO2 в результате реакции выросла, значит, он в этой реакции образовывался. Образоваться он может только по обратной реакции превращения SO2Cl2 в SO2 и Cl2. Если SO2 образовывался, значит, так же образовывался Cl2, а SO2Cl2 расходовался. То есть равновесные концентрации SO2 и Cl2 растут, а равновесная концентрация SO2Cl2 падает по сравнению с исходными. Все коэффициенты перед реагентами в уравнении реакции равны 1, поэтому рост концентрации SO2 на 0,3 моль/л влечет такое же увеличение концентрации Cl2 и такое же уменьшение концентрации SO2Cl2. Если равновесная концентрация Cl2 стала равна 0,9 моль/л, значит, исходная была больше на 0,3 моль/л и равна 1,2 моль/л. Это первый ответ. А равновесная концентрация SO2Cl2 должна понизиться на 0,3 моль/л по сравнению с исходной и составить 1,2 – 0,3 = 0,9 моль/л. Это второй ответ.

Случай 3. Коэффициенты перед реагентами не равны.

Далеко не все реакции протекают в мольном соотношении 1:1. Есть множество обратимых реакций, где коэффициенты перед реагентами могут быть другими. Рассмотрим пример задачи 3, где это так.

Задача 3.

В реактор постоянного объема поместили водород и азот. При этом исходные концентрации азота и водорода составили 1,8 моль/л и 1,2 моль/л, соответственно. В результате протекания обратимой химической реакции

в реакционной системе установилось химическое равновесие, а равновесная концентрация водорода составила 0,9 моль/л. Определите равновесные концентрации азота и аммиака.

Снова можно составить таблицу.

В реактор поместили водород и азот, значит, аммиака в реакторе не было и его исходная концентрация равна 0 моль/л. Алгоритм тот же: ищем реагент, для которого известны и исходная, и равновесная концентрация. Это водород. Его концентрация уменьшается, значит, он расходуется и реакция протекает в прямом направлении. Аммиак при этом образуется. Значит, равновесные концентрации для азота и водорода падают, а для аммиака растут по сравнению с исходными. Однако в этой реакции коэффициенты у всех веществ разные, и это нужно учитывать при расчетах. Для удобства эти коэффициенты можно отразить в самой таблице, поставив их перед формулами реагентов, что мы и сделали. Глядя на уравнение реакции, можно заключить, что с 3 моль водорода реагирует 1 моль азота. То есть азота в мольном отношении нужно в три раза меньше, чем водорода. Тогда если концентрация водорода упала на 1,2 – 0,9 = 0,3 моль/л, то концентрация азота должна упасть на величину, которая в три раза меньше, то есть на 0,1 моль/л. В итоге равновесная концентрация азота составит: 1,8 – 0,1 = 1,7 моль/л. Это первый ответ. Далее также из уравнения следует, что из 3 моль водорода получается 2 моль аммиака. Это значит, что падение концентрации водорода на 0,3 моль/л вызовет рост концентрации аммиака на 2/3 ∙ 0,3 моль/л, то есть на 0,2 моль/л. И тогда равновесная концентрация аммиака как раз составит 0,2 моль/л, потому что исходная его концентрация была равна 0 моль/л. Это будет второй ответ.

Случай 4. В обратимой реакции участвуют более трех реагентов.

Чаще всего в этом задании даются обратимые реакции с тремя участниками типа A + B ⇆ C или A ⇆ B + C, но иногда возможны и четыре участника. Рассмотрим такой случай на примере задачи 4.

Задача 4.

В реактор постоянного объема поместили H2 и CO2. При этом исходная концентрация водорода составила 1,0 моль/л. В результате протекания обратимой химической реакции

в реакционной системе установилось химическое равновесие, а равновесные концентрации CO и СО2 составили 0,2 моль/л и 0,4 моль/л. Определите исходную концентрацию СО2 и равновесную концентрацию Н2.

Составим таблицу, только теперь поместим в нее информацию не о трех, а о четырех реагентах.

В начальный момент времени в реактор поместили только H2 и CO2, значит, в реакторе не было СО и H2O. Тогда их исходная концентрация равна 0 моль/л. Поскольку мы знаем из условия равновесную концентрацию СО, то для этого реагента у нас есть пара значений исходная/равновесная концентраций. Концентрация СО выросла после протекания реакции на 0,2 моль/л, значит, он в реакции образовывался. Тогда так же образовывалась вода, а СО2 и Н2 расходовались. Здесь коэффициенты перед реагентами в уравнении все одинаковы и равны 1, поэтому расчеты упрощаются. Если равновесная концентрация СО2 была равна 0,4 моль/л и он в реакции расходовался, значит, исходная концентрация будет выше на 0,2 моль/л, поскольку по коэффициентам из 1 моль СО2 образуется 1 моль СО. То есть рост концентрации СО на 0,2 моль/л вызовет падение концентрации СО2 на те же 0,2 моль/л. В итоге исходная концентрация СО2 составит 0,4 + 0,2 = 0,6 моль/л. Это первый ответ. Далее Н2 в реакции тоже расходуется, значит, равновесная концентрация будет ниже исходной на 0,2 моль/л – снова потому, что коэффициенты перед Н2 и СО равны. Тогда равновесная концентрация Н2 составит 1,0 – 0,2 = 0,8 моль/л. Это второй ответ. Фактически в алгоритме решения задачи с четырьмя участниками ничего не изменилось. Может смутить только то, что информация о концентрации воды здесь оказывается «балластом», то есть мы ее никак не используем. Но так тоже бывает.

В заключении нужно отметить следующее. Это задание на расчет концентрации никак не связано с химическим строением соединений, химическими свойствами и так далее. Задание чисто математическое. Нужно только понять направление реакции, чтобы знать какие реагенты расходуются, а какие образуются, и далее использовать коэффициенты в уравнении. Поэтому реагенты в реакциях могут быть самыми редкими и необычными, которые даже не изучаются в школе, вроде NF3, SOCl2, SF6 и так далее. То, что химическая формула не имеет совершенно никакого значения, можно увидеть и в том, что иногда задание формулируется в схематичном виде. Например, дается обратимый процесс не с конкретными соединениями, а условными в виде: A + 2B ⇆ 3C. Поэтому бояться необычных формул не нужно. Повторим, что в этом задании нет необходимости знать химические свойства веществ, а уравнение реакции всегда дается в условии.

Хотите хорошо подготовиться к ЕГЭ по английскому или химии или изучать английский для себя? Запишитесь на занятия к автору сайта.

Химик.ПРО – решение задач по химии бесплатно

Константой химического равновесия (K) отношение констант скоростей прямой и обратной реакций.

Константа равновесия данной реакции выражается уравнением:

Подставляя в него данные из условия задачи, получаем:

K = 0,01/0,04 ⋅ 0,1 = 2,5

Для нахождения исходных концентраций NO и О2 учтем, что, согласно уравнению реакции, из 2 моль NO и 1 моль О2 образуется 2 моль NO2. Поскольку по условию задачи в каждом литре системы образовалось 0,1 моль вещества NO2, то при этом было израсходовано 0,1 моль NO и 0,05 моль О2. Таким образом, искомые исходные концентрации равны:

исходная концентрация NO

исходная концентрация O2

Ответ:

константа равновесия 2,5;

исходная концентрация NO 0,3 моль/л;

исходная концентрация О2 0,15 моль/л.

Как найти исходную концентрацию вещества зная равновесную

Химическим равновесием называется такое состояние обратимой химической реакции

aA + bB = cC + dD,

при котором с течением времени не происходит изменения концентраций реагирующих веществ в реакционной смеси. Состояние химического равновесия характеризуется константой химического равновесия:

где Ci – концентрации компонентов в равновесной идеальной смеси.

Константа равновесия может быть выражена также через равновесные мольные доли Xi компонентов:

Для реакций, протекающих в газовой фазе, константу равновесия удобно выражать через равновесные парциальные давления Pi компонентов:

Для идеальных газов Pi = CiRT и Pi = XiP, где P – общее давление, поэтому KP, KC и KX связаны следующим соотношением:

Константа равновесия связана с rG o химической реакции:

Изменение rG или rF в химической реакции при заданных (не обязательно равновесных) парциальных давлениях Pi или концентрациях Ci компонентов можно рассчитать по уравнению изотермы химической реакции (изотермы Вант-Гоффа):

Согласно принципу Ле Шателье, если на систему, находящуюся в равновесии, оказать внешнее воздействие, то равновесие сместится так, чтобы уменьшить эффект внешнего воздействия. Так, повышение давления сдвигает равновесие в сторону уменьшения количества молекул газа. Добавление в равновесную смесь какого-либо компонента реакции сдвигает равновесие в сторону уменьшения количества этого компонента. Повышение (или понижение) температуры сдвигает равновесие в сторону реакции, протекающей с поглощением (выделением) теплоты.

Количественно зависимость константы равновесия от температуры описывается уравнением изобары химической реакции (изобары Вант-Гоффа)

и изохоры химической реакции (изохоры Вант-Гоффа)

Интегрирование уравнения (9.9) в предположении, что rH реакции не зависит от температуры (что справедливо в узких интервалах температур), дает:

где C – константа интегрирования. Таким образом, зависимость ln KP от 1 должна быть линейной, а наклон прямой равен –rH /R.

Интегрирование в пределах K1, K2, и T1, T2 дает:

По этому уравнению, зная константы равновесия при двух разных температурах, можно рассчитать rH реакции. Соответственно, зная rH реакции и константу равновесия при одной температуре, можно рассчитать константу равновесия при другой температуре.

ПРИМЕРЫ

Пример 9-1. Рассчитать константу равновесия для реакции

при 500 K. fG o для CO(г) и CH3OH(г) при 500 К равны –155.41 кДж . моль –1 и –134.20 кДж . моль –1 соответственно.

Решение. G o реакции:

rG o = fG o (CH3OH) – fG o (CO) = –134.20 – (–155.41) = 21.21 кДж . моль –1 .

Пример 9-2. Константа равновесия реакции

равна KP = 1.64 10 –4 при 400 o C. Какое общее давление необходимо приложить к эквимолярной смеси N2 и H2, чтобы 10% N2 превратилось в NH3? Газы считать идеальными.

Решение. Пусть прореагировало моль N2. Тогда

Следовательно, KX = и KP = KX . P –2 = .

Подставляя = 0.1 в полученную формулу, имеем

1.64 10 –4 =, откуда P = 51.2 атм.

Пример 9-3. Константа равновесия реакции

при 500 K равна KP = 6.09 10 –3 . Реакционная смесь, состоящая из 1 моль CO, 2 моль H2 и 1 моль инертного газа (N2) нагрета до 500 K и общего давления 100 атм. Рассчитать состав равновесной смеси.

Решение. Пусть прореагировало моль CO. Тогда

CO(г) + 2H2(г) = CH3OH(г)
Исходное количество: 1 2 0
Равновесное количество: 1– 2–2
Всего в равновесной смеси: 3–2 моль компонентов + 1 моль N2 = 4–2 моль
Равновесная мольная доля

Следовательно, KX = и KP = KX . P –2 = .

Таким образом, 6.09 10 –3 = .

Решая это уравнение, получаем = 0.732. Соответственно, мольные доли веществ в равновесной смеси равны: = 0.288, = 0.106, = 0.212 и = 0.394.

Пример 9-4. Для реакции

при 298 К KP = 6.0 10 5 , а fH o (NH3) = –46.1 кДж . моль –1 . Оценить значение константы равновесия при 500 К.

Решение. Стандартная мольная энтальпия реакции равна

rH o = 2 fH o (NH3) = –92.2 кДж . моль –1 .

Согласно уравнению (9.14), =

= ln (6.0 10 5 ) + = –1.73, откуда K2 = 0.18.

Отметим, что константа равновесия экзотермической реакции уменьшается с ростом температуры, что соответствует принципу Ле Шателье.

ЗАДАЧИ

    При 1273 К и общем давлении 30 атм в равновесной смеси

содержится 17% (по объему) CO2. Сколько процентов CO2 будет содержаться в газе при общем давлении 20 атм? При каком давлении в газе будет содержаться 25% CO2?

при 500 o C равна Kp = 5.5. Смесь, состоящая из 1 моль CO и 5 моль H2O, нагрели до этой температуры. Рассчитать мольную долю H2O в равновесной смеси.

при 25 o C равна Kp = 0.143. Рассчитать давление, которое установится в сосуде объемом 1 л, в который поместили 1 г N2O4 при этой температуре.

при 250 o C rG o = –2508 Дж . моль –1 . При каком общем давлении степень превращения PCl5 в PCl3 и Cl2 при 250 o C составит 30%?

константа равновесия KP = 1.83 10 –2 при 698.6 К. Сколько граммов HI образуется при нагревании до этой температуры 10 г I2 и 0.2 г H2 в трехлитровом сосуде? Чему равны парциальные давления H2, I2 и HI?

при 500 K равна KP = 6.09 10 –3 . Рассчитать общее давление, необходимое для получения метанола с 90% выходом, если CO и H2 взяты в соотношении 1: 2.

находится в равновесии при 500 K и 10 бар. Если газы идеальные, как повлияют на выход метанола следующие факторы: а) повышение T; б) повышение P; в) добавление инертного газа при V = const; г) добавление инертного газа при P = const; д) добавление H2 при P = const?

устанавливается при 227 o C и общем давлении 1.0 бар, когда парциальное давление NOCl равно 0.64 бар (изначально присутствовал только NOCl). Рассчитать rG o для реакции. При каком общем давлении парциальное давление Cl2 будет равно 0.10 бар?

при 400 o C равна K = 1.60 10 –4 .

Чему будет равна степень диссоциации PCl5, если в систему добавить N2, чтобы парциальное давление азота было равно 0.9 атм? Общее давление поддерживается равным 1 атм.

Kp = 2.5 10 –3 . В равновесной смеси N2, O2, NO и инертного газа при общем давлении 1 бар содержится 80% (по объему) N2 и 16% O2. Сколько процентов по объему составляет NO? Чему равно парциальное давление инертного газа?

При 420 o C давление газов равно 5.16 10 4 Па, а при 450 o C 10.8 10 4 Па. Рассчитать константы равновесия при этих температурах и энтальпию диссоциации на моль HgO.

получены следующие данные по зависимости константы равновесия от температуры:

Определить стандартную энтальпию реакции в этом температурном интервале.

ln K = –1.04 –1088 /T +1.51 10 5 /T 2 .

Рассчитать rG o , rH o и rS o реакции при 400 К.

Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору

как вычислить исходную концентрацию вещества?

При некоторой температуре равновесная концентрация SO3 в системе 2SO2(г) + O2(г) = 2SO3(г) оказалось равной 0,04 моль/л, при этом 40% SO2 превратилось в SO3. Вычислите исходную концентрацию SO2, если исходная концентрация O2 составляла 0,2 моль/л.
И решение пожалуйста))
Заранее спс.

Лучший ответ

равновесные концентрации равны (моль/дм3): [A] = 0,6; = 1,2; [C] = 2,16. Определите константу рав-
новесия реакции и исходные концентрации веществ A и B.
Решение Константа равновесия этой реакции выражается уравнением:

Подставляя в него данные из условия задачи, получаем:

K = 2,16/0,6•1,22 = 2,5

Для нахождения исходных концентраций веществ А и В учтем, что, согласно уравнению реакции,
из 1 моля вещества А и 2 молей вещества В образуется 1 моль вещества С. Поскольку по условию зада-
чи в каждом дм3 системы образовалось 2,16 моля вещества С, то при этом было израсходовано 2,16 мо-
ля вещества А и 2,16•2 = 4,32 моля вещества В. Таким образом, искомые исходные концентрации рав-
ны:

[А] исх. = 0,6 + 2,16 = 2,76 моль/дм3;

исх. = 1,2 + 4,32 = 5,52 моль/дм3.

При изменении условий протекания реакции (температуры, давления, концентрации какого-либо из
участвующих в реакции веществ) скорости прямого и обратного процессов изменяются неодинаково, и
химическое равновесие нарушается. В результате преимущественного протекания реакции в одном из
возможных направлений устанавливается состояние нового химического равновесия, отличающееся от
исходного. Процесс перехода от одного равновесного состояния к новому равновесию называется сме-
щением химического равновесия.
Направление этого смещения подчиняется принципу Ле-Шателье: если на систему, находящую-
ся в состоянии химического равновесия, оказать какое-либо воздействие, то равновесие сместит-
ся в таком направлении, что оказанное воздействие будет ослаблено.
Так, повышение температуры приводит к смещению равновесия в направлении реакции, сопровож-
дающейся поглощением теплоты, т. е. охлаждением системы; повышение давления вызывает смещение
равновесия в направлении уменьшения общего числа молей газообразных веществ, то есть в направле-
нии, приводящем к понижению давления; удаление из системы одного из продуктов реакции ведет к
смещению равновесия в сторону прямой реакции; уменьшение концентрации одного из исходных ве-
ществ приводит к смещению равновесия в направлении обратной реакции.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *