Задача:
Выберите все факторы, воздействие которых на равновесную систему
\[C_{(тв)} + H_2O_{(г)} \rightleftharpoons CO_{(г)} + H_2_{(г)} - Q,\]
смещают её равновесие в сторону обратной реакции:
Варианты ответов:
- понижение температуры
- добавление катализатора
- увеличение концентрации \(C\)
- увеличение концентрации \(H_2O\)
- повышение температуры
- повышение давления
Решение:
Для решения этой задачи воспользуемся принципом Ле Шателье.
Данная реакция является эндотермической в прямом направлении, так как в уравнении указано \(-Q\). Это означает, что для образования продуктов реакции требуется поглощение теплоты. Соответственно, обратная реакция является экзотермической (протекает с выделением теплоты).
\[C_{(тв)} + H_2O_{(г)} \rightleftharpoons CO_{(г)} + H_2_{(г)} - Q\]
Рассмотрим влияние каждого фактора:
1. Понижение температуры:
Понижение температуры смещает равновесие в сторону экзотермической реакции, то есть в сторону реакции, которая выделяет тепло. В нашем случае, обратная реакция является экзотермической. Следовательно, понижение температуры сместит равновесие в сторону обратной реакции.
2. Добавление катализатора:
Катализатор ускоряет как прямую, так и обратную реакции в равной степени. Он не смещает химическое равновесие, а лишь ускоряет его достижение. Поэтому добавление катализатора не смещает равновесие в сторону обратной реакции.
3. Увеличение концентрации \(C\):
Углерод \(C\) находится в твёрдом состоянии. Концентрация твёрдых веществ не влияет на положение химического равновесия. Поэтому увеличение концентрации \(C\) не смещает равновесие.
4. Увеличение концентрации \(H_2O\):
\(H_2O\) является исходным веществом (реагентом) в прямой реакции. Увеличение концентрации реагентов смещает равновесие в сторону образования продуктов, то есть в сторону прямой реакции. Следовательно, увеличение концентрации \(H_2O\) не смещает равновесие в сторону обратной реакции.
5. Повышение температуры:
Повышение температуры смещает равновесие в сторону эндотермической реакции, то есть в сторону реакции, которая поглощает тепло. В нашем случае, прямая реакция является эндотермической. Следовательно, повышение температуры сместит равновесие в сторону прямой реакции, а не обратной.
6. Повышение давления:
Повышение давления смещает равновесие в сторону меньшего количества молей газообразных веществ. Посчитаем количество молей газов в каждой части уравнения:
- В левой части: \(H_2O_{(г)}\) — 1 моль газа. \(C_{(тв)}\) — твёрдое вещество, не учитывается.
- В правой части: \(CO_{(г)} + H_2_{(г)}\) — 1 моль \(CO\) + 1 моль \(H_2\) = 2 моля газа.
Таким образом, в левой части 1 моль газа, а в правой — 2 моля газа. Повышение давления сместит равновесие в сторону меньшего количества молей газа, то есть в сторону левой части (исходных веществ), что соответствует обратной реакции.
Вывод:
Факторы, смещающие равновесие в сторону обратной реакции, это:
- понижение температуры
- повышение давления