З А Д А Н И Е N 9. Т Е М А: " ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ

З А Д А Н И Е
N 9.
Т Е М А: " ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ . КАТАЛИЗ ".
-------------------------------------------------ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:
------------------------1. Выберите обратимые и необратимые процессы: нейтрализация, гидролиз,
каление карбоната кальция на открытом воздухе, тоже в закрытом сосуде,
пищеварение, синтез АТФ в организме.
Ответ: Обратимость и необратимость процессов в основном связана с
----- выбором термодинамической системы, в которой изучается данный
процесс, её границами и со значениями констант равновесия.
Очень большие и очень маленькие значения К равн. указывают на
практическую необратимость процессов, а по мере приближения
К равн. к единице "обратимость " увеличивается.
Считают: а/ нейтрализацию сильной кислоты сильным основанием,
практически необратимым процессом, а нейтрализацию слабой кислотой
или слабым основанием - обратимым процессом;
б/ гидролиз - гидролиз не идёт для солей образованных,
сильной кислотой и сильным основанием, для всех остальных ( для
ионных соединений - солей ) он обратим. В случае ковалентно- построенных соединений гидролиз также может быть обратимым
+
( например, гидролиз сложного эфира в присутствии [ Н - кислоты ]
и необратимым при гидролизе, например, РСI или Р СI );
5
2 10
в/ каление карбоната на открытом воздухе, считаем
необратимым процессом, а в закрытом сосуде - обратимым;
г/ пищеварение - необратимый процесс;
д/ синтез АТФ в организме - обратимый процесс.
2/. Приложите принцип Ле-Шателье к реакциям:
а/ N
2
+ 3 Н <====> 2 NН + Q
2
3
;
б/ MgСO
(тв.) <====> MgО (тв.) + СО
3
2(г)
Как нужно изменить концентрации, давление и температуру для максимального
выхода NН и СО ? Концентрации каких веществ не влияют на равновесие ?
3
2
Ответ: Согласно принципу Ле-Шателье: Если на систему, находящуюся в
----- состоянии равновесия оказать какое-либо воздействие, то в
результате протекающих в ней процессов равновесие сместится в
таком направлении, что оказанное воздействие уменьшится.
Тогда: а/ чтобы для процесса: N
+ 3 Н
<=====> 2 NН
+ Q
2(г)
2(г)
3(г)
получить аммиак с максимальным выходом, необходимо сместить равновесие
вправо ( как записано уравнение), таким образом:
концентрации N
; Н
- увеличить ;
2(г) 2(г)
давление - поднять;
концентрации NН - уменьшить;
3
температуру процесса - понизить.
В данном процессе концентрации веществ влияют на равновесие и должны
t
быть учтены.
Для процесса: б/ МgСО
<====> МgО
+ СО
, чтобы
3(тв.)
(тв.)
2
получить СО 42 0 с максимальным выходом необходимо: 1/ каким либо образом
уменьшить концентрацию СО ; 2/ поднять температуру, т.к. данный
2
процесс эндотермический.
В данном процессе концентрации твердых веществ не учитывают и на данное
состояние равновесия эти вещества не влияют. МgСО
, МgО
, т.к. в
3(тв.)
(тв.)
ходе процессов концентрация твердых веществ практически не меняется.
3/.Напишите выражение констант равновесия для реакций:
а/ 2 NО
+ СI
<====> 2 NОСI
(г)
2(г)
(г)
б/ Н О
+ СО
<====> Н СО
2 (ж)
2(г)
2 3 (р)
в/ Fе О
+
2 3(тв.)
3 Н
t
<====>
2(г)
2 Fе
+ 3 Н О
(тв.)
2 (г)
Концентрации каких веществ не влияют на равновесие ?
Ответ: На равновесие не влияют вещества, концентрации которых в ходе
----- реакций не меняются или меняются очень незначительно. И если
все эти процессы считать простыми, то К равн. их следующие:
а/ 2 NО
+ СI
(г)
б/ Н О
+
2 (ж)
2(г)
СО
<====> 2 NОСI
(г)
2
[ NОСI ]
K = -----------р
2
[NО] [СI ]
2
<====> Н СО
2(г)
2 3 (р)
[ Н СО ]
2 3
К = ----------------р
[Н О
] [ СО ]
2 (ж)
2(г)
Если реакция проводится в неводных условиях и вода не является
растворителем.
Если вода - растворитель, то его концентрация практически мало
меняется, и константу равновесия можно записать так
[ Н СО
]
2 3(р)
К = --------------р
[ СО
]
2 (г)
t
в/ Fе О
+ 3 Н
<====> 2 Fе
+ 3 Н О
2 3(тв.)
2(г)
(тв.)
2 (г)
К
3
[ Н О ]
2
= ------------
р
3
[ Н
]
2
твердые вещества Fе О
2 3
и Fе на состояние равновесия не влияют.
4/. Напишите выражения констант равновесия для реакций :
t
а/ СО
+ С
<====> 2 СО
2 (г )
(тв)
(г)
б/ Н
+ J
2(г)
<====> 2 НJ
2(г)
(г)
в/ СН СООН <===> Н
+ СН СОО
3
(р)
(р)
3
(р)
+
К какой реакции применим лишь один вид константы ? Как зависит
равновесие в этих процессах от давления ?
Ответ: Для веществ в газообразном состоянии концентрация
----- пропорциональна их парциальному давлению в смеси,
некоторых случаях удобнее пользоваться выражением
равновесия, выраженной через парциальные давления
реагентов.
прямо
поэтому и в
константы
газообразных
В реакции (в) применим только один вид константы, выраженный через
концентрации реагентов:
+
СН СООН <====> Н
+ СН СОО
3
(р)
(р)
3
(р)
+
] [ СН СОО
]
р
3
(р)
К = ----------------------р
[ СН СООН
]
3
(р)
[ Н
давление очень и очень мало влияет на
данное равновесие
Для процессов (а) и (б) можно использовать и константы, выраженные через
парциальные давления:
а/ СО
+ С
2(г)
К
= К
р
с
<===> 2 СО
(тв)
2
[ СО ]
= -------[ СО ]
2
(г)
2
[ р СО ]
К = К = ---------р
р [ р СО ]
2
увеличение давления приводит к смещению равновесия влево ( как записано ).
б/ Н
+
2(г)
J
< ===> 2 НJ
2(г)
2
[ НJ ]
К = -----------с [Н ] [ J ]
2
2
(г)
2
[ р НJ ]
К = ----------------р [ р Н ] [ р J ]
2
2
увеличение давления в относительных пределах не приводит к смещению
равновесия.
5/. Человек оказался в следующих условиях:
а/ употребил большое количество воды;
б/ долго бежал;
в/ побывал на морозе;
г/ парился в бане .
Как это повлияло на:
1/ диурез; 2/ гидролиз и синтез АТФ ;
3/ концентрацию СО в крови ?
2
Поясните, какие равновесия в организме сдвинутся и почему ?
Ответ: Строго однозначно ответить на данные вопросы трудно,
----- т.к. организм человека обладает строго индивидуальными
особенностями. Но используя представления об одночастевой
модели и представление организма в целом, как стационарной
системы, которая за счёт внутренней энергии поддерживает
строго определенные состояния - можно предположить, что
произойдёт со среднестатистическим "нормальным организмом" ,
находящемся в комфортных условиях нашего времени.
Тогда: а/ если человек употребил большое количество воды, то:
1/ диурез - увеличится;
2/ гидролиз АТФ - увеличится;
3/ синтез АТФ - увеличится;
4/ концентрация [СО ] в крови -уменьшится
2
б/ долго бежал, то :
1/ диурез - уменьшится;
2/ гидролиз АТФ - увеличится;
3/ синтез АТФ - увеличится;
4/ концентрация [ СО ] в крови -увеличится
2
в/ побывал на морозе, то :
1/ диурез - увеличится;
2/ гидролиз АТФ - увеличится;
3/ синтез АТФ - увеличится;
4/ концентрация [ СО ] в крови 2
Равновесие в организме сдвигается в такую сторону, чтобы скомпенсировать
( используя запасы организма, буферные ёмкости и т.д. ) до определенных
пределов нарушение в организме, возникшие за счёт изменения условий.
6/.Какие условия нужно соблюдать при назначении гормонов, ферментов и
витаминов больным с точки зрения равновесия в организме ?
Ответ: Если исходить из представления, что организм - система, поддерживаю----- щая концентрации всех веществ в организме в определенных пределах,
то назначение гормонов, ферментов и витаминов ( т.е. эндогенных
веществ, которые вырабатываются или извлекаются из пищевых
продуктов и строго контролируются организмом ) может привести к
нарушениям равновесия, связанных с конкретными органами и тканями,
обеспечивающие это постоянство: например, при назначении гормонов,
синтез его организмом замедляется и образующий его орган может
утратить эту функцию. При длительном назначении возникает зависимость организма от поступления извне, а при резком прекращении
приёма гормонов - его острая нехватка ( недостаточность ), поэтому
при назначении гормона должны соблюдаться следующие условия:
а/ строгое дозирование, возможны кратновременные перерывы;
б/ параллельное лечение для устранения причины недостатка;
в/ в конце срока приёма - постепенное снижение дозы.
7/.Классифицируйте катализ для следующих случаев:
а/ окисление SО
до SО
2(г)
с помощью оксидов азота;
3(г)
б/ тоже с помощью пятиокиси ванадия;
в/ предохранение саморазложения Н О с помощью цитратов в водном растворе.
2 2
Укажите виды катализа: положительный или отрицательный, гомогенный или
гетерогенный.
Ответ: Если скорость катализируемого процесса больше скорости некатали----- зируемого процесса - катализатор, участвующий в катализируемом
процессе, называют положительным и наоборот - отрицательным.
Если катализатор и реагент, участвующий в процессе, находятся в
одной фазе ( одном агрегатном состоянии ) такой процесс называется
гомогенным, а если катализатор и реагент находятся в разных фазах
- гетерогенным катализом.
Исходя из данных разъяснений процесс:
NО
а/ 2 SО
+
2(г)
2
<====>
О
2 SО
2(г)
3(г)
является примером гомогенного катализа - положительный катализатор.
В процессе:
б/ 2 SО
+ О
2(г)
2(г)
V O
2 5
<====> 2 SО
3(г)
V О является положительным катализатором, а катализируемый процесс 2 5 - гетерогенным.
цитрат
В процессе; в/ Н О
----> Н О + О
2 2(р)
2
2
катализ гомогенный, катализатор
ингибитором ).
отрицательный ( его ещё называют
8/.Перечислите особенности ферментов как биокатализаторов.
Ответ: Ферменты - соединения белковой природы, выполняющие роль
----- катализаторов в биохимических реакциях.
Иначе называются биокатализаторами. Характерной особенностью
ферментов является во-первых - специфичность. Под специфичностью
фермента понимается его свойство изменять скорость реакций одного
типа и не влиять на многие другие реакции, протекающие в клетке.
Во-вторых как и все соединения белковой природы, они выполняют
свою функцию только в строго определенных условиях: температурный
интервал, рН и т.д. В-третьих, все они являются очень эффективными катализаторами с огромным диапазоном возможностей катализа
10
2+
5
в 10 раз быстрее разлагающих Н О , чем Fе ( 10
раз ) относи2 2
тельно некаталитического процесса.
ОБЯЗАТЕЛЬНЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ.
------------------------------------------------------
В А Р И А Н Т N 1.
--------------------1. Напишите выражения для констант равновесия реакций:
а/ СI
+ Н О
<====> НСI
+ НСIО
+ Q
2 (ж)
(р)
(р)
t
б/ С
+ Н О
<====> СО
+ Н
;
7D 0Н > О
(тв)
2 (г)
(г)
2(г)
2(г)
в/ N
+
О
2(г)
<====> 2 NО
- Q
2(г)
Примените к этим реакциям принцип Ле-Шателье и перечислите
приводящие к сдвигу равновесия вправо.
Ответ : а) С1 (г) + Н О(ж) -------> НС1(р)
----2
2
<------[НС1] [НС1О]
Кр = --------------необходимо
[С1 ]
2
+ НС1О(р)
К
=
р
в) N (г)
2
необходимо
+ О (г) -----------> 2NO
2
<---------2
[NО ]
К = ----------необходимо ;
р
[N ] [O ]
2
2
+ Q
1) [С1 ] увеличить
2
2) t - уменьшить
3) [НС1] .[НС1О] - уменьшить
б) С(тв) + Н О(г) --------> СО(г) + Н (г)
2
2
[СО] [Н ]
2
----------[Н О]
2
условия,
7D 0Н > О
1) [Н О ] - увеличить
2
2) t - увеличить
3) [СО] [Н ] - уменьшить
2
4) давление уменьшить
- Q
1) [N ].[O ]
2
2
2) t
3) [ NO]
4) давление
- увеличить
- увеличить
- уменьшить
- не влияет
2). Как влияют на скорость выработки эритроцитов в организме факторы :
а) потеря крови ;
б) употребление большого количества жидкости ( в паталогии)
в) употребление препаратов железа;
г) замедление обмена веществ;
д) уменьшение массы воды в организме;
е) разрушение части эритроцитов ?
Применим ли к организмам принцип Ле- Шателье ?
Какие отличия с точки зрения химического равновесия имеют живые системы от неживых.
Ответ :
а)
б)
в)
г)
увеличивает
увеличивает
увеличивает
уменьшает
д) увеличивается( концентрация)
е) увеличивает.
3). Анализ равновесной реакционной смеси при синтезе аммиака показал,
что парциальное давление водорода равно О,О5атм, азота - О,О8атм,
аммиака - 2,6атм. Найдите : а) значение констант равновесия Кр И Кс;
------б) необходимые концентрации компонентов.
Решение : К равнов. зависят от природы веществ и температуры, поэтому
-------следует указать температурные условия процесса, а так как они
в условиях задания не указали, то обозначим эту температуру
о
как Т в К ( Кельвина).
Тогда
N + 3Н = 2NН
2
2
3
2
[NН ]
3
= -------3
[N ] [Н ]
2
2
Кс
2
[р NН ]
3
Кр = --------3
[р N ] [р Н ]
2
2
К равнов связано с парциальным давлением газов определить легко, под ставив необходимые данные в формулу :
2
[2,6]
6,76
Кр = ---------------- = -------------------- =
3
-6
[О,О8] [О,О5]
О,О8 х 125 х 1О
5
1
= 6,76 х 1О ( ------ )
атм 52
Концентрация и давление для газов связано уравнением Менделеева - Клайперона
РV =
Р
Отсюда С = -----RТ
пRТ или Р = СRT
Подставим в выражение для Кс
Р
NН
3
2
[ ---------]
RT
Кс =
--------------------Р
Р
N
Н
2
2
3
[ ------ ] [ --------- ]
RT
RT
Р
[
NН
преобразуем :
2
3
] RT (RT )
Р
[
2
NН
]
3
2 2
3
Кс = --------------------- = R T ---------------
=
3
2 2
R T [Р
3
] [Р
N
]
Н
[Р
] [ Р
N
]
Н
2
2
2
2
2 2
= R T К р
2
Отсюда численное значение Кс = ( RT ) Кр пропорционально Кр, а коэффициент пропорциональности зависит от Т; поэтому численное значение Кс
зависит от выбора Т процесса, а также значение исходных концентраций
зависит от Т.