Как определять исходную концентрацию вещества
Вещества, вступающие в химическую реакцию, претерпевают изменения состава и строения, превращаясь в продукты реакции. Концентрация исходных веществ уменьшается вплоть до нуля, если реакция идет до конца. Но может протекать обратная реакция, когда продукты распадаются на исходные вещества. В таком случае устанавливается равновесие, когда скорость прямой и обратной реакции становится одинаковой. Разумеется, равновесные концентрации веществ будут меньше исходных.
Инструкция
Произошла химическая реакция по схеме: А + 2Б = В. Исходные вещества и продукт реакции – газы. В какой-то момент установилось равновесие, то есть, скорость прямой реакции (А + 2Б = В) сравнялась со скоростью обратной (В = А + 2Б). Известно, что равновесная концентрация вещества А равна 0,12 моль/литр, элемента Б – 0,24 моль/литр, а вещества В – 0,432 моль/литр. Требуется определить исходные концентрации А и Б.
Изучите схему химического взаимодействия. Из нее следует, что один моль продукта (элемента В) образовывался из одного моля вещества А и двух молей вещества Б. Если в одном литре реакционного объема образовывалось 0,432 моля элемента В (по условиям задачи), то, соответственно, одновременно расходовалось 0,432 моля вещества А и 0,864 моля элемента Б.
Вам известны равновесные концентрации исходных веществ: [A] = 0,12 моль/литр, [Б] = 0,24 моль/литр. Прибавив к этим величинам те, которые были израсходованы в ходе реакции, вы получите величины исходных концентраций: [A]0 = 0,12 + 0,432 = 0,552 моль/литр; [Б]0 = 0,24 + 0,864 = 1,104 моль/литр.
Также вы можете определить исходные концентрации веществ с помощью константы равновесия (Кр) – отношения произведений равновесных концентраций продуктов реакции к произведению равновесных концентраций исходных веществ. Константа равновесия рассчитывается по формуле: Кр = [C]n [D]m /([A]0x[B]0y), где [C] и [D] – равновесные концентрации продуктов реакции С и D; n, m – их коэффициенты. Соответственно, [A]0, [В]0 – равновесные концентрации элементов, вступающих в реакцию; x,y – их коэффициенты.
Зная точную схему протекающей реакции, равновесную концентрацию хотя бы одного продукта и исходного вещества, а также величину константы равновесия, можно записать условия этой задачи в виде системы двух уравнений с двумя неизвестными.
Войти на сайт
или
Забыли пароль?
Еще не зарегистрированы?
This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy and Terms of Service apply.
Вычисление концентрации веществ, участвующих в реакции
Задача 18.
Реакция идет по уравнению: 4НСl + О2 = 2Н2О + 2Сl2. Через некоторое время после начала реакции концентрации участвующих в ней веществ стали (моль/л) НСl = 0,85; О2 = 0,44; Сl2 = 0,30. Какими были концентрации НСl и О2 в начале реакции?
Решение:
Для нахождения исходных концентраций НСl и О2 учтем, что, согласно уравнению реакции, из 4 молей НСl и 1 моля О2 образуется по 2 моля Н2О и Сl2. Поскольку по условию задачи в каждом литре системы образовалось по 0,3 моля, Н2О и Сl2,то при этом было израсходовано 0,6 молей НСl и 0,15 молей О2. Таким образом, искомые исходные концентрации равны:
[НСl]исх = 0,6 + 0,85 = 1,45 моль/л;
[О2]исх = 0,15 + 0,44 = 0,59 моль/л.
Задача 19.
Реакция идет по уравнению N2 + O2 = 2NO. Концентрации исходных веществ до начала реакции были [N2]исх = 0,049 моль/л, [O2] = 0,01моль/л. Вычислите концентрацию этих веществ в момент когда [NO] = 0,005 моль/л.
Решение:
[N2]исх = 0,049 моль/л
[O2]исх =0,01моль/л
[NO] = 0,005 моль/л
Уравнение реакции имеет вид:
N2 + O2 = 2NO
1моль 1моль 2моль
Из уравнения реакции вытекает, что количество продукта реакции NO превышает в 2 раза количество исходных веществ N2 и O2. Отсюда
n(N2) = n(O2) = 0,005/2 = 0,0025 моль/л.
c(N2) = 0,049 – 0,0025 = 0,0465 моль/л;
c(O2) = 0,01 – 0,0025 = 0,0075 моль/л.
Как решать задание 23 в ЕГЭ по химии в 2022-2023? Установить исходную концентрацию веществ, найти известное вещество, по которому будут проводиться расчеты. Затем провести расчеты по уравнению реакции и найти неизвестные концентрации.
Особенности задания
Как решать новое задание 23 в ЕГЭ по химии, которое появилось только в 2022 году? Разумеется, хорошенько подготовившись – аналогов этой задаче до сих пор не было, в 2023 году она будет использоваться лишь второй раз. Поэтому важно заранее получить максимум информации о том, как можно найти правильный ответ.
Прежде чем разбираться, как решать номер 23 в ЕГЭ по химии, отметим, что задание относится к повышенному уровню сложности. Соответственно, за правильное решение можно заработать два первичных балла. На выполнение отводится в среднем 5-7 минут.
В задании проверяются ваши знания и умения в следующих областях:
- Обратимые и необратимые химические реакции;
- Химическое равновесие и его смещение под воздействием различных факторов;
- Расчеты количества вещества, его массы или объема газов по известному количеству вещества, массе или объему одного из участвующих в реакции веществ.
Если вкратце: вот как делать 23 задание на ЕГЭ по химии: проанализировать исходные данные и установить известные концентрации вещества. После этого произвести расчеты по уравнению реакции и вычислить неизвестные вещества.
Демонстрационные задания
А теперь на практике покажем, как решать задачи 23 в ЕГЭ по химии – используем несколько демонстрационных вариантов. Помните, что нет никакой гарантии, что именно эти задачки попадутся в вашем комплекте заданий. Но ими можно руководствоваться как примером.
Итак, первый вариант решения 23 номера ЕГЭ по химии.
Дано:
В замкнутый реактор поместили газообразную смесь оксида азота (II) с кислородом и нагрели. В результате протекания обратимой реакции 2NO(г) + O2(г) ⇄ 2NO2(г) в системе установилось равновесие.
Используя данные, приведенные в таблице, определите равновесные концентрации оксида азота (II) (Х) и кислорода (Y).
| Реагент | NO | O2 | NO2 |
| Исходная концентрация (моль/л) | 0,5 | 0,8 | |
| Равновесная концентрация (моль/л) | 0,2 |
На основании приведенных данных рассказываем, как решать 23 задание ЕГЭ по химии:
Сначала производим базовый расчет: исходя из приведенной информации, следует, что в реакторе не было NO2, а значит, исходная концентрация NO2 равна нулю.
Известное вещество (с известной исходной и равновесной концентрацией) – это NO2, которого образовалось 0,2 моль.
Теперь переходим к стехиометрическим расчетам. Подставляем нужные цифры:
- 2NO(г) + O2(г) ⇄ 2NO2(г)
- 0,2 + 0,1 ⇄ 0,2
Из уравнения реакции становится ясно, что прореагировали 0,2 моль NO и 0,1 моль О2.
Наконец, переходим к окончательным расчетам. Еще раз представим перед собой таблицу и подставим нужные значения:
| Реагент | NO | O2 | NO2 |
| Исходная концентрация (моль/л) | 0,5 | 0,8 | 0 |
| Равновесная концентрация (моль/л) | 0,3 | 0,7 | 0,2 |
Итого, получаем следующий ответ:
- х = 0,5 – 0,2 = 0,3
- у = 0,8 – 0,1 = 0,7
Еще один разбор 23 задачи ЕГЭ по химии 2022-2023. Хороший пример, который может помочь вам разобраться.
Дано:
В реактор для синтеза метанола постоянного объема поместили водород и угарный газ. В результате протекания обратной химической реакции 2Н2(г) + СО(г) ⇄ СН3ОН(г) в системе установилось химическое равновесие.
Используя данные, приведенные в таблице, определите равновесную концентрацию угарного газа (Х) и исходную концентрацию водорода (Y).
| Реагент | Н2 | СО | СН3ОН |
| Исходная концентрация (моль/л) | Y | 2 | 0 |
| Равновесная концентрация (моль/л) | 1,2 | Х | 0,4 |
Решение демо 23 задания ЕГЭ по химии 2022 выглядит так:
Так как в первоначальный момент в системе не было метанола (а в состоянии равновесия метанола стало 0,4 моль), соответственно, изменения в ходе реакции по метанолу будет равно +0,4 моль.
Далее необходимо определить, сколько угарного газа было потрачено на реакцию. Концентрация угарного газа в ходе реакции уменьшается, из уравнения реакции следует, что n(CH3ОН):n(CO) = 1:1. Отсюда следует, что n(CO) = n(CH3ОН) = 0,4 моль.
Равновесную концентрацию угарного газа можно посчитать так: [СО]равн = [СО]исх – [CO]измен = 2 моль/л = 0,4 моль/л = 1,6 моль/л.
Первая часть разбора 23 задания ЕГЭ по химии 2022г. окончена, теперь посчитаем второе неизвестное значение:
Из уравнения реакции следует, что n(CH3ОН):n(Н2) = 1:2, отсюда следует, что n(Н2) = 2n(CH3ОН) = 2х0,4 = 0,8 моль.
Концентрация водорода в ходе реакции уменьшается. Чтобы найти исходную концентрацию водорода: [H2]исх – [H2]измен = 1,2 моль/л.
[H2]исх = [H2]измен + [H2]равн = 1,2 моль/л + 0,8 моль/л = 2 моль/л.
Ответ: х = 1,6 моль/л, у = 2 моль/л.
Как вам такое объяснение 23 задания ЕГЭ по химии 2022 года? Как видите, задачи действительно сложные – нужно знать довольно много вещей и свободно оперировать химическими формулами. Что может быть довольно сложно, если на уроках вы уделяли недостаточно внимания этим темам. Хорошо, что еще есть время на подготовку!
Решение задачи 23 в ЕГЭ по химии 2022-2023 вполне доступно каждому. Конечно, если вы понимаете смысл нужных понятий и умеете пользоваться вычислениями по химическим формулам и уравнениям. Задание это новое, поэтому лучше прорешать все доступные демонстрационные варианты перед экзаменом, чтобы хорошенько подготовиться!
Концентрации исходных веществ
Равновесие гомогенной системы СО + Cl2 = COCl2 установилось при следующих концентрациях: [Cl2] = 0,4 моль/л; [CO]=0,1 моль/л; [COCl2] = 4 моль/л. Вычислите концентрации исходных веществ в начальный момент.
Решение задачи
Рассмотрим обратимую химическую реакцию:
Для нахождения концентрации исходных веществ учтем, что, если известно изменение концентрации одного из веществ, то по уравнению реакции можно найти изменения концентраций всех других веществ, составляющих реакционную систему.
Для нахождения концентрации исходных веществ CO и Cl2 учтем, что, согласно уравнению реакции, из 1 моль CO и 1 моль Cl2 образуется 1 моль COCl2. Поскольку по условию задачи в каждом литре системы образовалось 4 моль вещества COCl2, то при этом было израсходовано 4 моль CO и 4 моль Cl2. Таким образом, искомые концентрации исходных веществ равны:
C(CO) = 0,1 + 4 = 4,1 (моль/л);
C(Cl2) = 0,4 + 4 = 4,4 (моль/л).
Ответ:
концентрация исходного вещества CO 4,1 моль/л;
концентрация исходного вещества Cl2 4,4 моль/л.
По теме «Химическое равновесие» необходимо знать и уметь следующее.
1.Приводить примеры обратимых реакций, знать термодинамические признаки химического равновесия, записывать выражение закона действующих масс для равновесия обратимых реакций.
2.Объяснять состояние химического равновесия с позиций химической кинетики.
3.Вычислять исходную концентрацию реагентов при известных равновесных концентрациях реагентов и продуктов; вычислять равновесную концентрацию всех веществ при известной исходной концентрации реагентов и степени их превращения в продукты.
4.Вычислять константу равновесия при известных равновесных концентрациях реагентов и продуктов или вычисленных по п. 2.
5.Вычислять константу равновесия по энергии Гиббса реакции.
6.Вычислять температуру, при которой константа равновесия равна единице.
7.Устанавливать по принципу Ле Шателье направление смещения химического равновесия при изменении условий проведения реакции.
ПРИМЕРЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЙ
Пример 1. При синтезе аммиака N2+3Н2 ‘ 2NН3 равновесие установилось при следующих концентрациях взаимодействующих веществ
(моль/л): [N2] = 2,5; [H2] = 1,8; [NH3] = 3,6. Вычислите константу равно-
весия этой реакции и исходные концентрации азота и водорода. Решение. Вычисляем константу равновесия реакции (поскольку
даны равновесные концентрации, константа имеет индекс «с»):
|
Kc = |
[NH3 ]2 |
= |
(3,6)2 |
= 0,89. |
||
|
[N2 |
] [H2 |
]3 |
2,5 |
(1,8)3 |
||
Исходные концентрации азота и водорода находим на основе уравнения реакции. На образование 2 моль NН3 расходуется 1 моль азота, следовательно, на образование 3,6 моль аммиака потребовалось 1,8 моль азота. Учитывая равновесную концентрацию азота, находим его исходную концентрацию: 2,5 + 1,8 = 4,3 моль/л. На образование 2 моль NН3 необходимо израсходовать 3 моль H2, следовательно, для получения 3,6 моль NH3 требуется 5,4 моль; исходная концентрация водорода
79
была 1,8 + 5,4 = 7,2 моль/л. Таким образом, реакция начиналась при молярных концентрациях 4,3 (N2) и 7,2 (H2).
Пример 2. В каком направлении смещается равновесие приведенных реакций при повышении температуры и общего давления в системе:
|
1) |
2SO2 + O2 ‘ 2SO3, |
rH° = –196,7 кДж, |
|
|
2) |
3O2 ‘ 2O3, |
rH° = 184,6 |
кДж, |
|
3) N2 + 3H2 ‘ 2NH3, |
rH° = –92,4 |
кДж? |
Решение. Согласно принципу Ле Шателье, при повышении температуры равновесие смещается в сторону эндотермического процесса: для первой и третьей реакций – в сторону образования реагентов, а для второй – в сторону образования продуктов. При повышении общего давления равновесие всех реакций, судя по суммам коэффициентов в левой и правой частях уравнений, смещается в сторону образования продуктов (вправо), которые занимают меньший объём по сравнению с реагентами.
Пример 3. Равновесие реакции 2NО + O2 = 2NО2 установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ (моль/л): [NO] = 0,5; [O2] = 0,7; [NO2] = 2,1. Как изменятся скорости прямой и обратной реакций, если в системе уменьшить общее давление в 2 раза? Произойдет ли при этом смещение равновесия реакции?
Решение. До уменьшения давления в системе выражения для скоростей прямой и обратной реакций (обе реакции являются формально простыми) можно записать в следующем виде:
|
→ |
= k1·c2(NO)·c(O2) = k1·(0,5)2·0,7 = 0,175·k1; |
|
v |
|
|
← |
= k2·c2(NO2) = k2·(2,1)2 = 4,41·k2. |
|
v |
При уменьшении давления в 2 раза концентрация всех реагирующих веществ уменьшается также в 2 раза, так как общий объем системы увеличивается в 2 раза (закон Бойля–Мариотта). Тогда:
|
→ |
= k1·(0,5/2)2·(0,7/2) = 0,0219·k1; |
← |
= |
k2·(2,1/2)2 = 1,1025·k2. |
|
v |
v |
В результате уменьшения давления скорости прямой и обратной реакций уменьшились 8 раз и 4 раза, соответственно:
|
→ |
0,175k1 |
← |
4,41k2 |
||||
|
v |
= |
=8; |
v |
= |
= 4. |
||
|
→ |
← |
||||||
|
0,0219k1 |
1,1025k2 |
||||||
|
v1 |
v1 |
80
Таким образом, скорость обратной реакции будет в 2 раза больше, чем прямой, поэтому произойдет смещение равновесия в сторону разложения NО2. Вывод, полученный путем вычисления скоростей реакций, согласуется с качественным правилом Ле Шателье (проверьте).
Пример 4. Реакция протекает по уравнению А + В ‘ 2D (уравнение записано в общем виде). Определите равновесные концентрации всех веществ, если исходные концентрации веществ А и В равны 0,5 моль/л и 0,7 моль/л, а константа равновесия реакции Кc = 50.
Решение. К моменту равновесия концентрации веществ А и В понизятся, а концентрация вещества D увеличится. Согласно уравнению реакции, на каждый моль веществ А и В образуется 2 моль вещества D; поэтому, если понижение концентрации веществ А и В обозначить через х моль, то увеличение концентрации вещества D будет равно 2х моль. Равновесные концентрации веществ будут равны:
[A] = (0,5 – х) моль/л; [B] = (0,7 – х) моль/л; [D] = 2х моль/л.
Подставив эти величины в выражение константы равновесия
|
Kc = |
[D]2 |
= |
4x2 |
= |
4x2 |
= 50; |
|||
|
[A] [B] |
(0,5 − x)(0,7 − x) |
0,35 |
−1,2x + x2 |
||||||
получаем квадратное уравнение:
46x2 – 60x + 17,5 = 0.
Решая это уравнение, получаем два значения х: х1 = 0,86; х2 = 0,44. По условию задачи справедливо значение х2. Отсюда равновесные концентрации веществ равны:
сA = 0,5 – 0,44 = 0,06 моль/л,
сB = 0,7 – 0,44 = 0,26 моль/л, сD = 0,44 2 = 0,88 моль/л.
Пример 5. Химическое равновесие в реакции COCl2(г) ‘ СO + Cl2 установилось при следующих концентрациях веществ (моль/л): COCl2 – 0,1, CO – 0,2, Cl2 – 0,15. В равновесную систему ввели
0,01 моль/л хлора. Определите новые равновесные концентрации веществ.
Решение. 1) Находим константу равновесия до добавления хлора:
|
Кс = |
[CO ] [Cl2 ] |
= |
0 ,2 |
0 ,15 |
= 0,3. |
|
[COCl 2 |
] |
0 ,1 |
|||
2) Добавление хлора вызовет смещение равновесия в сторону исходного вещества (протекания обратной реакции), т.е. уменьшение кон-
81
центраций хлора и СО и увеличение концентрации COCl2. Уменьшение концентрации хлора с момента сдвига равновесия до установления нового равновесия обозначим х. Тогда новые равновесные концентрации веществ (моль/л) будут равны:
[Cl2]’ = (0,15 + 0,01) – х = 0,16 – х; [CO]’ = 0,2 – х; [COCl2]’ = 0,1 + х.
3) Константа равновесия от концентрации не зависит, то есть ее
значение останется прежним. Это позволяет вычислить х и новые равновесные концентрации веществ:
|
0,3 = |
(0,16 − x) (0,2 − x) |
; х = 0,05; |
|
0,1 + x |
[Cl2]’ = (0,15 + 0,01) – 0,05 = 0,11 моль/л; [CO]’ = 0,2 – 0,05 = 0,15 моль/л;
[COCl2]’ = 0,1 + 0,05 = 0,15 моль/л.
Пример 6. Для реакции 2СO2 = 2СО + O2 объемный состав реакционной смеси в момент равновесия при температуре 2273 К был следующим: 88,72 % СО2; 7,52 % СО; 3,76 % O2. Найдите константы равновесия Кр и Kc для этой реакции, если общее давление в системе равно
101325 Па.
Решение. Для реакций, протекающих между газами, константу равновесия удобно вычислять, пользуясь равновесными парциальными давлениями реагирующих веществ (поэтому обозначение константы имеет нижний индекс «р»):
K = рCO2 рO2 . p рCO2 2
Определяем парциальные давления рi реагирующих газов по формуле рi = Poϕi, где Ро – общее давление, ϕi – объёмная доля газа:
р(CO2) = 101325·0,8872 = 0,8990 105 Па; р(CO) = 101325·0,0752 = 0,0762 105 Па; р(O2) = 101325·0,0376 = 0,0381 105 Па.
Вычисляем константу равновесия Кр:
K p = (0,0762 105 )2 0,0381 105 = 27,35 Па. (0,8990 105 )2
Из уравнения состояния идеального газа P·V = n·R·T выражаем давление:
P = Vn ·R·T = c·R·T.
82
Подставляем полученное выражение в уравнение для расчета Кр и выносим общий множитель (R·T):
|
Кр = |
[СО]2 (RT )2 [О2 ] (RT ) |
= |
[СО]2 [О2 ] |
(RT ) = Kc (RT ) |
ν |
, |
|
[СО2 ]2 (RT )2 |
[СО2 ]2 |
где ν – разность между числом моль газообразных веществ в правой и
левой частях уравнения: ν = Σνпрод – Σνисх; ν = 3 – 2 = 1. Из полученного уравнения рассчитываем значение Кс:
|
Kc = |
27,35 |
= 1,44 10 −3. |
|
|
8,314 2273 |
|||
Пример 7. Вычислите константу равновесия обратимой реакции синтеза аммиака при 298 К и 1000 К и сделайте вывод.
Решение. 1) Записываем уравнение реакции и выписываем из справочника термодинамические константы веществ:
|
fН°, кДж/моль |
N2(г) + 3H2(г) ‘ 2NH3(г); |
||
|
0 |
0 |
–46,2 |
|
|
fS°, Дж/(моль·К) |
191,5 |
130,5 |
192,6 |
2) Вычисляем изменение энтальпии и энтропии в ходе реакции:
rHº = (–46,2)·2 = –92,4 кДж.
rSº = 192,6·2 – 130,5·3 – 191,5 = –207,8 Дж/К = –0,2078 кДж/К. 3) Вычисляем энергию Гиббса при заданных температурах:
rGº298 = –92,4 + 0,2078·298 = –30,5 кДж. rGº1000 = –92,4 + 0,2078·1000 = 115,4 кДж.
4) По соотношению (уравнение изотермы Вант-Гоффа) rGT = –R·T·lnKр = –2,3·R·T·lgKр = –19,12·T·lgKр
вычисляем lgКр, а затем константы равновесия:
|
lgKр,298 = 30500/(19,12·298) = 5,85, |
Kр,298 = 2,2·105. |
|
lgKр,1000 = –115400/(19,12·1000) = –6,03, |
Kр,1000 = 1·10–6. |
Результаты расчетов свидетельствуют о том, что при 298 К реакция идет в сторону образования аммиака, а при 1000 К – в сторону его разложения. Следовательно, увеличение температуры приводит к снижению выхода аммиака. Тем не менее, синтез аммиака в промышленности проводят при ≈400 °С (673 К), так как при низких температурах очень мала скорость реакции. При этом для увеличения выхода аммиака повышают давление, которое способствует смещению равновесия вправо в соответствии с принципом Ле Шателье.
83
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
