Решение задачи: Как изменится скорость реакции O2 + 4HCl?

3. Как изменится скорость прямой реакции в системе O₂ + 4HCl_(газ) ⇌ 2H₂O_(пар) + 2Cl₂ с уменьшением давления в 10 раз? Напишите выражение константы равновесия для этой системы. (1 балл)

Решение:

Уравнение реакции: O₂ + 4HCl_(газ) ⇌ 2H₂O_(пар) + 2Cl₂

Изменение скорости прямой реакции:

Скорость прямой реакции определяется по закону действующих масс:

\[v = k \cdot [O_2] \cdot [HCl]^4\]

При уменьшении давления в 10 раз, объем системы увеличивается в 10 раз (согласно закону Бойля-Мариотта при постоянной температуре). Это приводит к уменьшению концентрации каждого газообразного реагента в 10 раз.

Новые концентрации будут:

\[[O_2]' = \frac{[O_2]}{10}\]

\[[HCl]' = \frac{[HCl]}{10}\]

Новая скорость прямой реакции:

\[v' = k \cdot [O_2]' \cdot [HCl]'^4 = k \cdot \frac{[O_2]}{10} \cdot \left(\frac{[HCl]}{10}\right)^4\]

\[v' = k \cdot \frac{[O_2]}{10} \cdot \frac{[HCl]^4}{10^4} = k \cdot [O_2] \cdot [HCl]^4 \cdot \frac{1}{10 \cdot 10000}\]

\[v' = v \cdot \frac{1}{100000}\]

Таким образом, скорость прямой реакции уменьшится в 100 000 раз.

Выражение константы равновесия:

Константа равновесия (K_c) для данной системы выражается как отношение произведения равновесных концентраций продуктов к произведению равновесных концентраций реагентов, возведенных в степени их стехиометрических коэффициентов. При этом в выражение константы равновесия включаются только газообразные вещества и растворенные вещества.

В данной реакции все вещества являются газообразными (O₂, HCl, H₂O_(пар), Cl₂).

\[K_c = \frac{[H_2O]^2 \cdot [Cl_2]^2}{[O_2] \cdot [HCl]^4}\]

Ответ:

Скорость прямой реакции уменьшится в 100 000 раз.

Выражение константы равновесия: \[K_c = \frac{[H_2O]^2 \cdot [Cl_2]^2}{[O_2] \cdot [HCl]^4}\]

4. При определенной температуре константа равновесия системы FeO + CO ⇌ Fe + CO₂ равна 0,5. Каковы равновесные концентрации CO и CO₂, если начальные концентрации этих веществ в заданный момент составляли: [CO] = 0,05 моль/л; [CO₂] = 0,001 моль/л. (2 балла)

Решение:

Уравнение реакции: FeO_(тв) + CO_(г) ⇌ Fe_(тв) + CO_2(г)

Константа равновесия K_c = 0,5.

Начальные концентрации: [CO]_нач = 0,05 моль/л; [CO₂]_нач = 0,001 моль/л.

В выражении константы равновесия не учитываются концентрации твердых веществ (FeO и Fe), так как их концентрация считается постоянной.

Выражение константы равновесия для данной реакции:

\[K_c = \frac{[CO_2]}{[CO]}\]

Подставим значение K_c:

\[0,5 = \frac{[CO_2]}{[CO]}\]

Пусть x - изменение концентрации CO, которое прореагировало до достижения равновесия. Так как реакция идет вправо (чтобы увеличить концентрацию CO₂ и уменьшить CO, чтобы достичь K_c = 0,5, так как начальное отношение [CO₂]/[CO] = 0,001/0,05 = 0,02, что меньше 0,5), то:

Равновесная концентрация CO: \[ [CO]_{равн} = [CO]_{нач} - x = 0,05 - x \]

Равновесная концентрация CO₂: \[ [CO_2]_{равн} = [CO_2]_{нач} + x = 0,001 + x \]

Подставим равновесные концентрации в выражение для K_c:

\[0,5 = \frac{0,001 + x}{0,05 - x}\]

Решим это уравнение относительно x:

\[0,5 \cdot (0,05 - x) = 0,001 + x\]

\[0,025 - 0,5x = 0,001 + x\]

\[0,025 - 0,001 = x + 0,5x\]

\[0,024 = 1,5x\]

\[x = \frac{0,024}{1,5}\]

\[x = 0,016 \text{ моль/л}\]

Теперь найдем равновесные концентрации CO и CO₂:

\[[CO]_{равн} = 0,05 - x = 0,05 - 0,016 = 0,034 \text{ моль/л}\]

\[[CO_2]_{равн} = 0,001 + x = 0,001 + 0,016 = 0,017 \text{ моль/л}\]

Проверим: \[ \frac{[CO_2]_{равн}}{[CO]_{равн}} = \frac{0,017}{0,034} = 0,5 \]. Это соответствует значению K_c.

Ответ:

Равновесные концентрации CO и CO₂ составляют:

\[[CO] = 0,034 \text{ моль/л}\]

\[[CO_2] = 0,017 \text{ моль/л}\]