Тема 3. Енергетика хімічних реакцій. Хімічна кінетика. Окисно-відновні процеси

матеріал 8

Необоротні і оборотні реакції. Хімічна рівновага. Константа рівноваги

Матеріал

Для вчителя

Для учня

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 41. Необоротні і оборотні реакції. Хімічна рівновага. Константа рівноваги

Очікувані результати навчання

виявляє самостійно або у співпраці з іншими невизначеність/протиріччя в інформації щодо ознак/будови/ властивостей об’єктів природи, умов виникнення, прояву і перебігу природних явищ [12 ПРО 1.1.1-1 П]
створює самостійно або у співпраці з іншими математичні/реальні, віртуальні моделі об’єктів і явищ [12 ПРО 1.4.1-2 П]
аналізує за наданими критеріями самостійно або у співпраці з іншими математичні/реальні/ віртуальні моделі об’єктів і явищ [12 ПРО 1.4.1-3 П]
аналізує, систематизує, оцінює самостійно або у співпраці з іншими опрацьовану інформацію [12 ПРО 2.1.1-5 П]
пов’язує самостійно або у співпраці з іншими інформацію природничого змісту, представлену в різних формах, із реальними об’єктами і явищами [12 ПРО 2.2.2-1 П]
визначає самостійно або у співпраці з іншими властивості об’єктів, істотні ознаки явищ і процесів, необхідні для розв’язання життєвої/навчальної проблеми [12 ПРО 3.1.1-2 П]
визначає самостійно або у співпраці з іншими ознаки класифікації об’єктів і явищ [12 ПРО 3.2.1-1 П]
інтерпретує самостійно або у співпраці з іншими наукові факти [12 ПРО 4.1.1-3 П]

Мета уроку: ознайомити учнів із поняттями оборотних і необоротних реакцій, хімічної рівноваги, пояснити суть рівноваги в хімічних системах і значення константи рівноваги, навчити записувати математичний вираз константи рівноваги для гомогенних реакцій.

Очікувані результати для вчителя:

учні пояснюють та визначають оборотність / необоротність хімічних реакцій
учні розуміють явище хімічної рівноваги
учні складають математичний вираз константи хімічної рівноваги та розв’язують задачі на визначення її значення

Очікувані результати для учнівства:

розрізняють оборотні та необоротні реакції
розуміють та характеризують стан хімічної рівноваги для оборотної реакції
складають математичний вираз константи рівноваги для гомогенних процесів

Ключові слова

оборотні та необоротні процеси
хімічна рівновага
константа хімічної рівноваги

План уроку

Мотивація (5 хв.).
Необоротні та оборотні процеси (7 хв.).
Константа хімічної рівноваги (15 хв.).
Практикуємось (15 хв.).
Рефлексія (3 хв.).

1. Мотивація

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 5 хв.

Учням пропонуються 10 тверджень. Їхнє завдання – визначити, чи є кожне твердження істинним («Так») чи хибним («Ні»). Після кожного твердження проводиться коротке обговорення (1-2 коментарі).

Вам уже відомо, що хімічні реакції, які відбуваються в одному напрямку, називають необоротними. Більшість хімічних процесів є оборотними, оскільки за одних і тих самих умов відбуваються і пряма, і зворотна реакції (особливо в замкнених системах):

реакція, рівняння якої СаСО₃(тв.) → СаО(тв.) + СО₂(г.), у відкритій системі необоротна;
ця сама реакція, рівняння якої СаСО₃(тв.) → СаО(тв.) + СО₂(г.), у замкненій системі оборотна.

Під час оборотних реакцій у системі присутні як реактанти, так і продукти реакції. Співвідношення між ними змінюється тільки при зміні умов (температури, тиску, концентрації), які впливають на швидкості прямої та зворотної реакції.

Завдання 1. Пригадайте вплив різних чинників на швидкість хімічної реакції та виконайте вправу «Так чи Ні», позначаючи знаком «+» ті з тверджень, з якими ви погоджуєтеся, і знаком «–» – ті, які вважаєте неправильними.

 Якщо підвищити температуру, швидкість будь-якої реакції зменшується.
 Подрібнення речовини прискорює перебіг хімічної реакції.
 Каталізатор впливає на швидкість реакції, але не змінює її теплового ефекту.
 Усі реакції можна зупинити, якщо зменшити концентрацію реагентів до нуля.
 Швидкість реакції залежить від природи реагентів.
 Якщо реакція зупинилася, то всі речовини в ній витрачені.
 При нагріванні реакції завжди відбуваються тільки в одному напрямку.
 У деяких реакціях прямий і зворотний процеси можуть відбуватися одночасно.
 Зміна тиску впливає лише на реакції за участю газів.
 Коли швидкість прямої реакції дорівнює швидкості зворотної, система досягає хімічної рівноваги.

Отже, не всі реакції доходять до кінця; деякі з них стають оборотними, створюючи передумови для встановлення стану, який називається хімічною рівновагою.

2. Необоротні та оборотні процеси. Хімічна рівновага.

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 7 хв.

Каталітичний розклад калій хлорату KClO₃ у присутності манган(4+) оксиду описується хімічним рівняння:

2KClO₃(тв.) MnO2→ 2KCl(тв.) + 3О₂(г.)

Така реакція є необоротною, адже сполученням калій хлориду із киснем добути калій хлорат неможливо за будь-яких умов. Для необоротної реакції характерний перебіг до кінця: повне перетворення вихідних речовин з утворенням продуктів.

Результатом перебігу оборотного процесу є такий стан реакційної суміші, в якому концентрації реагуючих речовин і продуктів реакції не змінюються із часом. На макро рівні здається, що нічого не відбувається. Насправді ж прямий та зворотний процеси тривають, але з однаковою швидкістю:

Разом із однокласниками (у парі або у групі) розгляньте наведені вище графіки зміни концентрації учасників реакції та швидкості прямого і зворотного процесів із часом. Висловіть припущення щодо того, якому часу – t₁ або t₂ – відповідає стан хімічної рівноваги. Обґрунтуйте свою відповідь.

Концентрації учасників реакції у стані хімічної рівноваги називають рівноважними. Для певної хімічної реакції за деяких зовнішніх умов – температури та тиску – співвідношення кількостей (рівноважних концентрацій) усіх учасників перетворення є сталим.

3. Константа хімічної рівноваги

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 15 хв.

Розгляньмо реакцію, перебіг якої можна описати хімічним рівнянням

aA + bB = cC + dD.

За законом діючи мас вирази для обчислення швидкостей прямого та зворотного процесів мають вигляд:

У момент встановлення хімічної рівноваги швидкості прямої та зворотної реакції стають однаковими і без зміни зовнішніх умов – температури та тиску – залишаються сталими. А значить справедливим буде наступний висновок:

Перетворимо отриманий вираз в такий, що з однієї сторони буде містити лише константи швидкості реакції, а з іншої – концентрації учасників перетворення:

У загальному вигляді, дріб зліва називають константою хімічної рівноваги К, яку обчислюють за формулою:

де концентрації учасників реакції необхідно піднести до степеню, що відповідає коефіцієнту у рівнянні оборотної реакції.

Приклад 1. Складіть вираз для обчислення константи рівноваги для оборотної реакції, представленої хімічним рівнянням:

а) N₂(г.) + О₂(г.) = 2NO(г.);
б) N₂(г.) + 3Н₂(г.) = 2NH₃(г.);
в) 2NO₂(г.) = N₂O₄(г.).

Розв’язання:

Звертаємо увагу на коефіцієнти перед формулами реактантів / продуктів реакції та складаємо відповідні вирази для обчислення константи рівноваги:

N₂(г.) + О₂(г.) = 2NO(г.)

(1) $\begin{equation*} K = \frac{c_{NO}^2}{c_{N_2} \cdot c_{O_2}}\end{equation*}$

N₂(г.) + 3Н₂(г.) = 2NH₃(г.)

(2) $\begin{equation*} K = \frac{c_{NH_3}}{c_{N_2} \cdot c_{H_2}^3}\end{equation*}$

2NO₂(г.) = N₂O₄(г.)

(3) $\begin{equation*} K = \frac{c_{N_2O_4}}{c_{NO_2}^2}\end{equation*}$

Знаючи константу рівноваги для певного хімічного процесу за деяких умов – температури та тиску, – можна визначити рівноважні концентрації кожного учасника реакції.

Приклад 2. У стані хімічної рівноваги реакції утворення йодоводню із простих речовин

H₂(г.) + I₂(г.) = 2HI(г.)

за деякої температури концентрації водню Н₂, йоду І₂ та йодоводню НІ становили 3,5 моль/л, 1,5 моль/л та 1,0 моль/л відповідно. Обчисліть константу рівноваги цієї реакції. Визначте концентрації реактанів до початку реакції.

Розв’язання:

Вираз для обчислення константи рівноваги такої реакції має вигляд:

(4) $\begin{equation*} K = \frac{c_{HI}^2}{c_{H_2} \cdot c_{I_2}}\end{equation*}$

Підставляємо наведені рівноважні концентрації та розраховуємо константу рівноваги:

Для обчислення початкової концентрації реактантів звернемо увагу на те, що на утворення 1 молю йодоводню витрачається удвічі менше молей водню та йоду:
- ∆n(H₂) = ∆n(I₂) = 1/2n_утв.(HI), а значить в реакційній суміші об’ємом 1 л
- ∆n(H₂) = ∆n(I₂) = 1/2∙1 = 0,5 моль
Початкові концентрації реактантів були більші за рівноважні на отримане вище значення моль в одному літрі реакційної суміші:
- n(H₂) = 3,5 + 0,5 = 4,0 моль/л
- n(I₂) = 1,5 + 0,5 = 2,0 моль/л

Відповідь: константа рівноваги дорівнює 0,19; початкові концентрації водню та йоду становили 4,0 моль/л та 2,0 моль/л відповідно.

4. Практикуємось

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 15 хв.

1. Для оборотної реакції 2NO₂(г.) = N₂O₄(г.) за температури -17 °С рівноважні концентрації оксидів становлять: NO₂ – 0,08 моль/л та N₂O₄ – 0,02 моль/л. Обчисліть константу рівноваги цієї реакції за температури -17 °С.

2. Для оборотної реакції 2СО(г.) + О₂(г.) = 2СО₂(г.) за температури 600 °С у замкнутому реакторі встановилися рівноважні концентрації карбон(ІІ) оксиду, карбон(IV) оксиду та кисню: 0,055 моль/л, 0,048 моль/л та 0,03 моль/л відповідно. Визначте константу рівноваги цієї реакції за температури 600 °С та укажіть для отриманого значення одиниці вимірювання.

3. У певний момент перебігу реакції N₂ + 3H₂ = 2NH у деякому замкнутому об’ємі реакційної суміші концентрації N₂, H₂ та NH₃ становили 2,0 моль/л, 0,5 моль/л та 4,0 моль/л відповідно.
- а) Визначте вихідні концентрації реактантів.
- б) Чи відповідають указані вище концентрації учасників реакції їхнім рівноважним концентраціям, якщо за даної температури константа рівноваги реакції становить 4 л²∙моль^-2?

4*. Обчисліть константу рівноваги H₂(г.) + І₂(г.) = 2НІ(г.) за деякої температури, якщо вихідна суміш реактантів містила двократний надлишок водню, а відносний вихід продукту реакції у момент досягнення хімічної рівноваги становить 25 %.

5. Рефлексія

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 3 хв.

Прийом має на меті повторити всі поняття і терміни, які вивчалися на уроці.

Закінчіть речення:

«Сьогодні я дізнався(-лася), що…»
«Мене здивувало…»
«Тепер я розумію, чому…»
«На наступному уроці хотів(-ла) би дізнатися…»

У вільний від відпочинку час

Поміркуйте, чи зміниться тиск у скляному балоні, якщо змішати рівні об’єми водню і хлору та опромінити вміст балону ультрафіолетовими променями.
Через деякий час після початку реакції водню із парами йоду концентрації водню, йоду та йодоводню відповідно становили 0,049 моль/л, 0,024 моль/л та 0,010 моль/л. Визначте концентрації усіх речовин у той момент, коли концентрація водню становитиме 0,037 моль/л.
Обчисліть константу рівноваги реакції утворення йодоводню із простих речовин за температури 508 °С, якщо початкові концентрації водню та йоду становили 0,05 моль/л та 0,06 моль/л відповідно, а рівноважна концентрація йодоводню склала 0,018 моль/л.
Оберіть та наведіть приклад рівноважного процесу, який відбувається у природі або знаходить застосування у побуті, й коротко опишіть його:

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 41. Необоротні і оборотні реакції. Хімічна рівновага. Константа рівноваги

Робочий аркуш учнівства

Очікувані результати

Мета уроку: ознайомити учнів із поняттями оборотних і необоротних реакцій, хімічної рівноваги, пояснити суть рівноваги в хімічних системах і значення константи рівноваги, навчити записувати математичний вираз константи рівноваги для гомогенних реакцій.

Очікувані результати для учнівства:

Я пояснюю відмінності між оборотними та необоротними процесами.
Я розумію сутність стану хімічної рівноваги та формулюю умови її настання.
Я записую математичний вираз константи рівноваги для заданої реакції.
Я розв’язую задачі на визначення константи хімічної рівноваги.

Ключові слова

оборотні та необоротні процеси
хімічна рівновага
константа хімічної рівноваги

План уроку

Мотивація (5 хв.).
Необоротні та оборотні процеси (7 хв.).
Константа хімічної рівноваги (15 хв.).
Практикуємось (15 хв.).
Рефлексія (3 хв.).

1. Мотивація

Вам уже відомо, що хімічні реакції, які відбуваються в одному напрямку, називають необоротними. Більшість хімічних процесів є оборотними, оскільки за одних і тих самих умов відбуваються і пряма, і зворотна реакції (особливо в замкнених системах):

реакція, рівняння якої СаСО₃(тв.) → СаО(тв.) + СО₂(г.), у відкритій системі необоротна;
ця сама реакція, рівняння якої СаСО₃(тв.) → СаО(тв.) + СО₂(г.), у замкненій системі оборотна.

Під час оборотних реакцій у системі присутні як реактанти, так і продукти реакції. Співвідношення між ними змінюється тільки при зміні умов (температури, тиску, концентрації), які впливають на швидкості прямої та зворотної реакції.

Завдання 1. Пригадайте вплив різних чинників на швидкість хімічної реакції та виконайте вправу «Так чи Ні», позначаючи знаком «+» ті з тверджень, з якими ви погоджуєтеся, і знаком «–» – ті, які вважаєте неправильними.

 Якщо підвищити температуру, швидкість будь-якої реакції зменшується.
 Подрібнення речовини прискорює перебіг хімічної реакції.
 Каталізатор впливає на швидкість реакції, але не змінює її теплового ефекту.
 Усі реакції можна зупинити, якщо зменшити концентрацію реагентів до нуля.
 Швидкість реакції залежить від природи реагентів.
 Якщо реакція зупинилася, то всі речовини в ній витрачені.
 При нагріванні реакції завжди відбуваються тільки в одному напрямку.
 У деяких реакціях прямий і зворотний процеси можуть відбуватися одночасно.
 Зміна тиску впливає лише на реакції за участю газів.
 Коли швидкість прямої реакції дорівнює швидкості зворотної, система досягає хімічної рівноваги.

Отже, не всі реакції доходять до кінця; деякі з них стають оборотними, створюючи передумови для встановлення стану, який називається хімічною рівновагою.

2. Необоротні та оборотні процеси. Хімічна рівновага.

Каталітичний розклад калій хлорату KClO₃ у присутності манган(4+) оксиду описується хімічним рівняння:

2KClO₃(тв.) MnO2→ 2KCl(тв.) + 3О₂(г.)

Така реакція є необоротною, адже сполученням калій хлориду із киснем добути калій хлорат неможливо за будь-яких умов. Для необоротної реакції характерний перебіг до кінця: повне перетворення вихідних речовин з утворенням продуктів.

Результатом перебігу оборотного процесу є такий стан реакційної суміші, в якому концентрації реагуючих речовин і продуктів реакції не змінюються із часом. На макро рівні здається, що нічого не відбувається. Насправді ж прямий та зворотний процеси тривають, але з однаковою швидкістю:

Разом із однокласниками (у парі або у групі) розгляньте наведені вище графіки зміни концентрації учасників реакції та швидкості прямого і зворотного процесів із часом. Висловіть припущення щодо того, якому часу – t₁ або t₂ – відповідає стан хімічної рівноваги. Обґрунтуйте свою відповідь.

Концентрації учасників реакції у стані хімічної рівноваги називають рівноважними. Для певної хімічної реакції за деяких зовнішніх умов – температури та тиску – співвідношення кількостей (рівноважних концентрацій) усіх учасників перетворення є сталим.

3. Константа хімічної рівноваги

Розгляньмо реакцію, перебіг якої можна описати хімічним рівнянням

aA + bB = cC + dD.

За законом діючи мас вирази для обчислення швидкостей прямого та зворотного процесів мають вигляд:

У момент встановлення хімічної рівноваги швидкості прямої та зворотної реакції стають однаковими і без зміни зовнішніх умов – температури та тиску – залишаються сталими. А значить справедливим буде наступний висновок:

Перетворимо отриманий вираз в такий, що з однієї сторони буде містити лише константи швидкості реакції, а з іншої – концентрації учасників перетворення:

У загальному вигляді, дріб зліва називають константою хімічної рівноваги К, яку обчислюють за формулою:

де концентрації учасників реакції необхідно піднести до степеню, що відповідає коефіцієнту у рівнянні оборотної реакції.

Приклад 1. Складіть вираз для обчислення константи рівноваги для оборотної реакції, представленої хімічним рівнянням:

а) N₂(г.) + О₂(г.) = 2NO(г.);
б) N₂(г.) + 3Н₂(г.) = 2NH₃(г.);
в) 2NO₂(г.) = N₂O₄(г.).

Розв’язання:

Звертаємо увагу на коефіцієнти перед формулами реактантів / продуктів реакції та складаємо відповідні вирази для обчислення константи рівноваги:

N₂(г.) + О₂(г.) = 2NO(г.)

(5) $\begin{equation*} K = \frac{c_{NO}^2}{c_{N_2} \cdot c_{O_2}}\end{equation*}$

N₂(г.) + 3Н₂(г.) = 2NH₃(г.)

(6) $\begin{equation*} K = \frac{c_{NH_3}}{c_{N_2} \cdot c_{H_2}^3}\end{equation*}$

2NO₂(г.) = N₂O₄(г.)

(7) $\begin{equation*} K = \frac{c_{N_2O_4}}{c_{NO_2}^2}\end{equation*}$

Знаючи константу рівноваги для певного хімічного процесу за деяких умов – температури та тиску, – можна визначити рівноважні концентрації кожного учасника реакції.

Приклад 2. У стані хімічної рівноваги реакції утворення йодоводню із простих речовин

H₂(г.) + I₂(г.) = 2HI(г.)

за деякої температури концентрації водню Н₂, йоду І₂ та йодоводню НІ становили 3,5 моль/л, 1,5 моль/л та 1,0 моль/л відповідно. Обчисліть константу рівноваги цієї реакції. Визначте концентрації реактанів до початку реакції.

Розв’язання:

Вираз для обчислення константи рівноваги такої реакції має вигляд:

(8) $\begin{equation*} K = \frac{c_{HI}^2}{c_{H_2} \cdot c_{I_2}}\end{equation*}$

Підставляємо наведені рівноважні концентрації та розраховуємо константу рівноваги:

Для обчислення початкової концентрації реактантів звернемо увагу на те, що на утворення 1 молю йодоводню витрачається удвічі менше молей водню та йоду:
- ∆n(H₂) = ∆n(I₂) = 1/2n_утв.(HI), а значить в реакційній суміші об’ємом 1 л
- ∆n(H₂) = ∆n(I₂) = 1/2∙1 = 0,5 моль
Початкові концентрації реактантів були більші за рівноважні на отримане вище значення моль в одному літрі реакційної суміші:
- n(H₂) = 3,5 + 0,5 = 4,0 моль/л
- n(I₂) = 1,5 + 0,5 = 2,0 моль/л

Відповідь: константа рівноваги дорівнює 0,19; початкові концентрації водню та йоду становили 4,0 моль/л та 2,0 моль/л відповідно.

4. Практикуємось

1. Для оборотної реакції 2NO₂(г.) = N₂O₄(г.) за температури -17 °С рівноважні концентрації оксидів становлять: NO₂ – 0,08 моль/л та N₂O₄ – 0,02 моль/л. Обчисліть константу рівноваги цієї реакції за температури -17 °С.

2. Для оборотної реакції 2СО(г.) + О₂(г.) = 2СО₂(г.) за температури 600 °С у замкнутому реакторі встановилися рівноважні концентрації карбон(ІІ) оксиду, карбон(IV) оксиду та кисню: 0,055 моль/л, 0,048 моль/л та 0,03 моль/л відповідно. Визначте константу рівноваги цієї реакції за температури 600 °С та укажіть для отриманого значення одиниці вимірювання.

3. У певний момент перебігу реакції N₂ + 3H₂ = 2NH у деякому замкнутому об’ємі реакційної суміші концентрації N₂, H₂ та NH₃ становили 2,0 моль/л, 0,5 моль/л та 4,0 моль/л відповідно.
- а) Визначте вихідні концентрації реактантів.
- б) Чи відповідають указані вище концентрації учасників реакції їхнім рівноважним концентраціям, якщо за даної температури константа рівноваги реакції становить 4 л²∙моль^-2?

4*. Обчисліть константу рівноваги H₂(г.) + І₂(г.) = 2НІ(г.) за деякої температури, якщо вихідна суміш реактантів містила двократний надлишок водню, а відносний вихід продукту реакції у момент досягнення хімічної рівноваги становить 25 %.

5. Рефлексія

Закінчіть речення:

«Сьогодні я дізнався(-лася), що…»
«Мене здивувало…»
«Тепер я розумію, чому…»
«На наступному уроці хотів(-ла) би дізнатися…»

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

У вільний від відпочинку час

Поміркуйте, чи зміниться тиск у скляному балоні, якщо змішати рівні об’єми водню і хлору та опромінити вміст балону ультрафіолетовими променями.
Через деякий час після початку реакції водню із парами йоду концентрації водню, йоду та йодоводню відповідно становили 0,049 моль/л, 0,024 моль/л та 0,010 моль/л. Визначте концентрації усіх речовин у той момент, коли концентрація водню становитиме 0,037 моль/л.
Обчисліть константу рівноваги реакції утворення йодоводню із простих речовин за температури 508 °С, якщо початкові концентрації водню та йоду становили 0,05 моль/л та 0,06 моль/л відповідно, а рівноважна концентрація йодоводню склала 0,018 моль/л.
Оберіть та наведіть приклад рівноважного процесу, який відбувається у природі або знаходить застосування у побуті, й коротко опишіть його:

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Завантажити матеріал (PDF)

Ділись та обговорюй важливе