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.