Χημεια γ 4

4η ενότητα - Χημική Ισορροπία

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου 4η Ενότητα Χημική ισορροπία

-63-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου

-64-

4η ενότητα - Χημική Ισορροπία

Μονόδορμες και αμφίδρομες αντιδράσεις - Χημική ισορροπία Κάθε χημική αντίδραση στην οποία καταναλώνεται πλήρως όλη η ποσότητα ενός τουλάχιστον εκ των αντιδρώντων, λέγεται μονόδρομη ή ποσοτική. Στις μονόδρομες αντιδράσεις χρησιμοποιούμε ένα βέλος (→). Μία χημική αντίδραση που πραγματοποιείται ταυτόχρονα και προς τις δύο κατευθύνσεις λέγεται αμφίδρομη. Οι αμφίδρομες αντιδράσεις συμβολίζονται με διπλό βέλος (⇌). π.χ. η αντίδραση: C(s) + O2(g) → CO2(g) είναι ποσοτική

η αντίδραση: Η2(g) + Ι2(g) ⇌ 2 ΗΙ(g)

είναι αμφίδρομη Οι αμφίδρομες αντιδράσεις σε κατάλληλες συνθήκες μπορούν να μετατραπούν σε μονόδρομες. π.χ. η σύνθεση του νερού σε θερμοκρασία κάτω των 2000 °C είναι ποσοτική και πάνω από τους 2000 °C είναι αμφίδρομη. Χημική ισορροπία λέγεται η κατάσταση στην οποία καταλήγει μια αμφίδρομη αντίδραση, όπου οι ταχύτητες των αντίθετων αντιδράσεων εξισώνονται. Στην κατάσταση ισορροπίας συνυπάρχουν αντιδρώντα και προϊόντα, με σταθερές συγκεντρώσεις, εφόσον οι συνθήκες παραμένουν σταθερές. Η χημική ισορροπία είναι δυναμική ισορροπία γιατί η αντίδραση συνεχίζεται. Θα μελετήσουμε την αμφίδρομη αντίδραση:

Η2(g) + Ι2(g) ⇌ 2 ΗΙ(g)

Όταν εισάγουμε στο δοχείο υδρογόνο και ιώδιο αρχίζει να πραγματοποιείται η αντίδραση που έχει κατεύθυνση προς τα δεξιά. Με την πάροδο του χρόνου μειώνεται η ταχύτητά της διότι μειώνεται η συγκέντρωση των αντιδρώντων. Ταυτόχρονα αρχίζει να πραγματοποιείται και η αντίδραση που έχει κατεύθυνση προς τ’ αριστερά η οποία με την πάροδο του χρόνου αποκτά μεγαλύτερη ταχύτητα. Όταν οι ταχύτητες εξισωθούν το σύστημα βρίσκεται σε χημική ισορροπία. Το διπλανό διάγραμμα δείχνει τη μεταβολή της ταχύτητας υ1 προς τα δεξιά και τη μεταβολή της ταχύτητας υ2 προς τα αριστερά μιας αμφίδρομης αντίδρασης. Τη στιγμή tv αποκαθίσταται η ισορροπία.

-65-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου

Έστω ότι εισάγουμε σε κενό δοχείο ίσες ποσότητες Η2 και Ι2. Το διπλανό διάγραμμα δείχνει τη μεταβολή της συγκέντρωσης κάθε ουσίας για την ισορροπία: Η2(g) + Ι2(g) ⇌ 2 ΗΙ(g) Τη στιγμή tv αποκαθίσταται η ισορροπία. Οι χημικές ισορροπίες διακρίνονται σε ομογενείς και ετερογενείς. Στις ομογενείς όλα τα σώματα που συμμετέχουν είναι στην ίδια φυσική κατάσταση, ενώ στις ετερογενείς έστω και ένα σώμα βρίσκεται σε άλλη φυσική κατάσταση από τα υπόλοιπα. Ακολουθούν παραδείγματα:

Η2(g) + Ι2(g) ⇌ 2 ΗΙ(g) (ομογενής) CaO(g) + CO2(g) ⇌ CaCO3(s) (ετερογενής)

-66-

4η ενότητα - Χημική Ισορροπία

Απόδοση αντίδρασης Θεωρούμε μια αμφίδρομη αντίδραση. Ονομάζουμε θεωρητική την ποσότητα που θα μπορούσε να σχηματιστεί αν η αντίδραση ήταν μονόδρομη. Ονομάζουμε πρακτική την ποσότητα του προϊόντος που σχηματίζεται. “Ο λόγος της πρακτικής ποσότητας προς την θεωρητική ποσότητα λέγεται συντελεστής απόδοσης (σύμβολο α) της αντίδρασης”. Ο συντελεστής απόδοσης τιμές 0 < α ≤ 1 και όταν μετρηθεί ως ποσοστό από 0 έως 100 %, τότε λέγεται απόδοση της αντίδρασης. Παράδειγμα: Ας υποθέσουμε ότι βάζουμε σε δοχείο 4 mol N2 και 9 mol Η2 ώστε να αντιδράσουν και να σχηματίσουν ΝΗ3. Πειραματικά διαπιστώνουμε ότι αντέδρασαν 2 mol N2, 6 mol H2 και σχηματίστηκαν 4 mol ΝΗ3. Καταγράφουμε τα δεδομένα σε πίνακα: Ποσότητες σε mol Αρχικές Αντιδρούν Παράγονται Χημική ισορροπία

Ν2 + 3 Η2 ⇌ 2 ΝΗ3 4 9 2 6 4 2 3 4

Θεωρητικά μπορούν ν’ αντιδράσουν 3 mol N2 (από τα 4 mol) με 9 mol H2 και να σχηματίσουν 6 mol NH3 (το Ν2 βρίσκεται σε περίσσεια).

4mol =0,67 = 67% Η απόδοση της αντίδρασης είναι ίση με: α = 6mol

2 ⋅100 = 50% του αζωτου Μετατράπηκαν σε προϊόντα ποσοστό: 4 6 ⋅100 = 67% του υδρογονου 9 Βλέπουμε ότι το ποσοστό μετατροπής του υδρογόνου συμπίπτει με την απόδοση της αντίδρασης. Γενικά η απόδοση της αντίδρασης συμπίπτει με το ποσοστό μετατροπής του αντιδρώντος που βρίσκεται σε έλλειμμα.

-67-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου

Ασκήσεις Από το σχολικό βιβλίο: Παράδειγμα 4.2 και η αντίστοιχη εφαρμογή Ασκήσεις 1,2,3,4,10,11,12,13,14,15,16 1.

Ποια πρόταση είναι σωστή για μια αντίδραση που έχει καταλήξει σε ισορροπία; α. Το χημικό φαινόμενο έχει σταματήσει β. Οι συγκεντρώσεις όλων των σωμάτων με την πάροδο του χρόνου δεν μεταβάλλονται όταν δεν μεταβληθούν οι συνθήκες γ. Αν βάλουμε καταλύτη θα συνεχιστεί η αντίδραση δ. Οι συγκεντρώσεις όλων των σωμάτων είναι ίσες Λύση Σωστή είναι η β

2.

Σε κενό δοχείο βάζουμε ισομοριακές ποσότητες από τα σώματα Α και Β. Πραγματοποιείται η αμφίδρομη αντίδραση: Α(g) + Β(g) ⇌ 2 Γ(g) Να χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές ή λάθος. α. Στην κατάσταση ισορροπίας το δοχείο περιέχει το σώμα Γ και ένα από τα σώματα Α ή Β. β. Στην κατάσταση ισορροπίας το δοχείο περιέχει ποσότητες από όλα τα σώματα. γ. Στην κατάσταση ισορροπίας οι συγκεντρώσεις όλων των σωμάτων είναι ίσες. δ. Στην κατάσταση ισορροπίας οι συγκεντρώσεις των σωμάτων Α και Β είναι ίσες. ε. Αν η απόδοση της αντίδρασης είναι 60 % στην κατάσταση ισορροπίας θα έχει μείνει το 40 % από την αρχική ποσότητα του σώματος Α στ. Αν η απόδοση της αντίδρασης είναι 50 % στην κατάσταση ισορροπίας ισχύει n(Γ) = 3n(Α). Λύση α. β. γ.

δ. ε.

Στην ισορροπία υπάρχουν όλα τα σώματα, επομένως είναι λάθος Σωστή Λάθος, δεν είναι απαραίτητο (σε κάποιες περιπτώσεις συμβαίνει) Α(g) + Β(g) ⇌ 2 Γ(g) αρχικά n mol n mol αντιδρούν x mol x mol 2x mol ισορροπία (n-x) mol (n-x)mol 2x mol Σωστή όπως φαίνεται από τον πίνακα Σωστή αντιδρά το 60 % και παραμένει το 40 % -68-

4η ενότητα - Χημική Ισορροπία στ.

3.

Είναι λάθος διότι είναι διπλάσια όχι τριπλάσια α = x/n ή x = αn = 0,5n n(Γ) = 2x = n mol n(A) = n-x = 0,5n mol

Σε κενό δοχείο που έχει όγκο 10 L εισάγουμε 6 mol CO και 5 mol O2. Σε κατάλληλες συνθήκες αντιδρούν και σχηματίζουν CO2 σύμφωνα με την αντίδραση: 2 CO(g) + O2(g) ⇌ 2 CO2(g) α. Να υπολογίσετε την τελική συγκέντρωση του CO2 θεωρώντας ότι η αντίδραση πραγματοποιείται:

(i) με απόδοση 100 %

(ii) με απόδοση 1/3 β. Να κάνετε στη δεύτερη περίπτωση τη γραφική παράσταση της συγκέντρωσης όλων των σωμάτων σε συνάρτηση με το χρόνο.

Να θεωρήσετε ότι αποκαθίσταται ισορροπία σε 10 s. Λύση Πίνακας μεταβολών: 2 CO(g) + O2(g) ⇌ 2 CO2(g) αρχικά mol 6 mol 5 mol αντιδρούν-παράγονται 2x mol x mol 2x mol τελικά (6-2x) mol (5-x) mol 2x mol Το CO είναι σε έλλειμμα, διότι αν αντιδρούσε πλήρως όλη η ποσότητά του θα απαιτούσε 3 mol Ο2. Το δοχείο περιέχει περισσότερο Ο2, επομένως το Ο2 είναι σε περίσσεια. α.

i.

ii.

β.

Με απόδοση 100 % καταναλώνεται όλο το CO (έλλειμμα). Τότε 6-2x = 0 ⇒ x = 3.

[CO2] = 2x/V = 6/10 = 0,6 M Με απόδοση 1/3 καταναλώνεται ένα μέρος της ποσότητας κάθε αντιδρώντος. Από το ελλειμματικό CO έχουμε:

α = 2x/6 ⇒ x = 1. [CO2] = 2x/V = 2/10 = 0,2 M

Όταν η απόδοση είναι 1/3, οι αρχικές συγκεντρώσεις έχουν τιμές:

[CO] = 6/10 = 0,6 M και [Ο2] = 5/10 = 0,5 Μ Οι τελικές συγκεντρώσεις έχουν τιμές: 4 4 2 [CO] = = 0,4M, [O2 ] = = 0,4M, [CO2 ] = = 0,2M 10 10 10

Το διπλανό διάγραμμα δείχνει τη μεταβολή των συγκεντρώσεων σε συνάρτηση με το χρόνο.

-69-

4η ενότητα - Χημική Ισορροπία

Αρχή Le Chatelier Η θέση της χημικής ισορροπίας εξαρτάται από τις συγκεντρώσεις των σωμάτων, από την πίεση και από τη θερμοκρασία (παράγοντες της χημικής ισορροπίας). Όταν μεταβάλλουμε έναν από τους παράγοντες που επηρεάζουν τη θέση της χημικής ισορροπίας, η ισορροπία καταστρέφεται και δημιουργείται νέα σύμφωνα με την αρχή Le Chatelier. Σύμφωνα με αυτή: «Όταν μεταβάλλουμε έναν από τους παράγοντες που επηρεάζουν τη θέση μιας χημικής ισορροπίας, η ισορροπία μετατοπίζεται προς την κατεύθυνση εκείνη που τείνει να αναιρέσει τη μεταβολή που επιφέραμε.»

Μεταβολή της συγκέντρωσης Θεωρούμε μια αμφίδρομη χημική αντίδραση που έχει καταλήξει σε κατάσταση ισορροπίας. Αυξάνουμε τη συγκέντρωση ενός σώματος (αντιδρώντος είτε προϊόντος). Το σύστημα αντιδρά (σύμφωνα με την αρχή Le Chatelier) ώστε να αναιρέσει τη μεταβολή και η ισορροπία μετατοπίζεται προς την κατεύθυνση εκείνη που μειώνει τη συγκέντρωση του προστιθέμενου σώματος. Το αντίθετο συμβαίνει αν μειώσουμε τη συγκέντρωση ενός σώματος. Για παράδειγμα στην ισορροπία: Η2 + Ι2 ⇌ 2 ΗΙ Όταν αυξήσουμε τη συγκέντρωση του Η2 ή του Ι2 η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα δεξιά. Όταν μειώσουμε τη συγκέντρωση του Η2 ή του Ι2 η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα αριστερά.

Μεταβολή της πίεσης Θεωρούμε μια αμφίδρομη χημική αντίδραση (στην οποία συμμετέχουν και αέρια) που έχει καταλήξει σε κατάστασης ισορροπίας. Μεταβάλλουμε την πίεση με μεταβολή του όγκου του δοχείου. Τότε σύμφωνα με την αρχή Le Chatelier το σύστημα αντιδρά έτσι ώστε να αναιρέσει τη μεταβολή της πίεσης. Όταν αυξήσουμε τη πίεση το σύστημα προσπαθεί να τη μειώσει. Αυτό το επιτυγχάνει με μετακίνηση της ισορροπίας προς την κατεύθυνση εκείνη που παράγονται λιγότερα mol αερίων.

-73-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου «Με άλλα λόγια αύξηση της πίεσης οδηγεί την ισορροπία στην κατεύθυνση που είναι μικρότερο το άθροισμα των συντελεστών των αερίων, ενώ μείωση της πίεσης οδηγεί την ισορροπία προς την κατεύθυνση που είναι μεγαλύτερο το άθροισμα των συντελεστών των αερίων». π.χ. Ν2(g) + 3 Η2(g) ⇌ 2 ΝΗ3(g) όταν αυξηθεί η πίεση η ισορροπία μετακινείται προς τα δεξιά γιατί από 1 mol N2 και 3 mol H2 παράγονται 2 mol NH3 π.χ. Η2(g) + Ι2(g) ⇌ 2 ΗΙ(g) όταν μεταβληθεί η πίεση η ισορροπία δεν επηρεάζεται γιατί ο αριθμός mol δεν μειώνεται όπως και αν πραγματοποιηθεί αντίδραση. Από 1 mol H2 και 1 mol I2 παράγονται 2 mol HI.

Μεταβολή της θερμοκρασίας Θεωρούμε μια αμφίδρομη χημική αντίδραση που έχει καταλήξει σε κατάσταση ισορροπίας στους θ1 οC. Αυξάνουμε τη θερμοκρασία σε θ2 οC. Τότε σύμφωνα με την αρχή Le Chatelier το χημικό σύστημα αντιδρά ώστε να αναιρέσει τη μεταβολή, και η χημική ισορροπία μετατοπίζεται προς εκείνη την κατεύθυνση που γίνεται απορρόφηση θερμότητας, δηλαδή προς όφελος της ενδόθερμης αντίδρασης. π.χ. στη χημική ισορροπία: Ν2 + 3 Η2 ⇌ 2 ΝΗ3, ΔΗ < 0 Η αύξηση της θερμοκρασίας μετατοπίζει την ισορροπία προς τ' αριστερά. Αντίθετα μείωση της θερμοκρασίας οδηγεί την ισορροπία προς όφελος της εξώθερμης αντίδρασης. Οι θερμοουδέτερες αντιδράσεις δεν επηρεάζονται από τις μεταβολές της θερμοκρασίας.

-74-

4η ενότητα - Χημική Ισορροπία

Ασκήσεις Από το σχολικό βιβλίο: Παράδειγμα 4.3 και η εφαρμογή της Ασκήσεις 5,6,7,20,21,22,23,24,25,26 15.

Δίνεται η χημική ισορροπία: 4 HCl(g) + O2(g) ⇌ 2 Η2O(g) + 2 Cl2(g), ΔΗ < 0 Ποια επίδραση θα έχουν στην ποσότητα του χλωρίου οι παρακάτω μεταβολές; α. Η αύξηση της θερμοκρασίας (V = σταθ.). β. Η αύξηση της συγκέντρωσης του Ο2 (V, Τ = σταθ.). γ. Η αύξηση του όγκου του δοχείου (Τ = σταθ.). δ. Η προσθήκη αφυδατικού μέσου (V, Τ = σταθ.). ε. Η προσθήκη ΝaΟΗ που εξουδετερώνει μέρος του HCl. Λύση α.

β.

γ.

δ. ε.

16.

Με την αύξηση της θερμοκρασίας η ισορροπία μετατοπίζεται προς όφελος της ενδόθερμης αντίδρασης, άρα προς τα αριστερά. Επομένως θα μειωθεί η ποσότητα του Cl2. Με την αύξηση της συγκέντρωσης του Ο2 η ισορροπία θα μετατοπιστεί προς τα δεξιά ώστε να καταναλωθεί Ο2 και να μειωθεί η συγκέντρωση του. Επομένως θα αυξηθεί η ποσότητα του Cl2. Με την αύξηση του όγκου μειώνεται η πίεση. Το σύστημα μετατοπίζεται προς την κατεύθυνση που αυξάνεται ο συνολικός αριθμός mol των αερίων, δηλαδή προς τα αριστερά. Επομένως θα μειωθεί η ποσότητα του Cl2. Μειώνεται η συγκέντρωση του Η2Ο(g). Η ισορροπία θα μετακινηθεί προς τα δεξιά και θα αυξηθεί η ποσότητα του Cl2. Θα μειωθεί η ποσότητα του HCl και η ισορροπία θα μετακινηθεί προς τα αριστερά ώστε να αυξηθεί η συγκέντρωση του HCl. Επομένως θα μειωθεί η ποσότητα του Cl2.

Σ’ ένα δοχείο έχει αποκατασταθεί η ισορροπία: Α(s) + 2 B(g) ⇌ Γ(s) + 2 Δ(g), ΔΗ > 0 Ποια από τις παρακάτω μεταβολές έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση της ποσότητας του Β που περιέχεται στο δοχείο; α. η αύξηση του όγκου υπό σταθερή θερμοκρασία

β. η εισαγωγή αερίου Δ υπό σταθερή θερμοκρασία και όγκο γ. η αύξηση της θερμοκρασίας υπό σταθερό όγκο δ. η εισαγωγή στερεού Γ υπό σταθερή θερμοκρασία τον όγκο Λύση Σωστή είναι η β.

-75-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου (αυξάνεται η συγκέντρωση του Β οπότε το σύστημα σύμφωνα με την αρχή Le Chatelier αντιδρά και μετατοπίζει την ισορροπία προς τα αριστερά ώστε να μειωθεί η συγκέντρωση του αερίου Δ) 17.

Δίνεται η χημική ισορροπία: Α(g) + 2 Β(g) ⇌ 2 Γ(g), ΔΗ > 0 Σε κλειστό δοχείο έχει αποκατασταθεί η παραπάνω ισορροπία και η πίεση είναι ίση με 10 atm. Διπλασιάζουμε τον όγκο του δοχείου. (i) Η πίεση στο δοχείο μπορεί να πάρει τιμή:

α.

5 atm

β.

10 atm

γ.

20 atm

δ.

7 atm (ii) Η απόδοση σε Γ:

α. αυξάνεται

β. ελαττώνεται

γ. μένει σταθερή (iii) Η πυκνότητα του αερίου μείγματος:

α. διπλασιάζεται

β. υποδιπλασιάζεται

γ. μένει σταθερή Να δικαιολογήσετε την απάντησή σας. Λύση (i) Όταν διπλασιάσουμε τον όγκο στιγμιαία υποδιπλασιάζεται η πίεση (γίνεται 5 atm). Η χημική ισορροπία σύμφωνα με την αρχή Le Chatelier τείνει να αναιρέσει τη μεταβολή, και η ισορροπία θα μετατοπιστεί προς τα αριστερά ώστε να αυξηθούν τα συνολικά mol των αερίων. Η πίεση αυξάνεται και τείνει να γίνει 10 atm, επομένως σωστή είναι η (δ). (ii) Η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα αριστερά, επομένως η απόδοση της αντίδρασης σε Γ ελαττώνεται, σωστή είναι η (β). (iii) Σε κάθε χημική η συνολική μάζα του μείγματος παραμένει σταθερή. Ο όγκος διπλασιάζεται. Επομένως η πυκνότητα υποδιπλασιάζεται (ρ = m/V), σωστή είναι η (β).

18.

Σε δοχείο μεταβλητού όγκου και στους θ °C έχει αποκατασταθεί η χημική ισορροπία: Α(g) + Β(g) ⇌ 2 Γ(g) + Δ(g) Αυξάνουμε ταυτόχρονα τον όγκο του δοχείου και τη θερμοκρασία. Παρατηρούμε ότι η χημική ισορροπία δεν επηρεάζεται. Να εξηγήσετε αν η αντίδραση σχηματισμού των αερίων Γ και Δ είναι ενδόθερμη ή εξώθερμη. Λύση Με την αύξηση του όγκου η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα δεξιά ώστε να αυξηθούν τα συνολικά mol των αερίων. Για να μην παρατηρηθεί μεταβολή της ισορροπίας η αύξηση της θερμοκρασίας μετατοπίζει την ισορροπία προς τα αριστερά. Γνωρίζουμε ότι η αύξηση της θερμοκρασίας ευνοεί την ενδόθερμη αντίδραση. Άρα προς τα αριστερά είναι ενδόθερμη και ο σχηματισμός των αερίων Γ και Δ είναι εξώθερμη αντίδραση.

-76-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου

Σταθερά της χημικής ισορροπίας Θεωρούμε την αμφίδρομη αντίδραση: α Α(g) + β Β(g) ⇌ γ Γ(g) + δ Δ(g) Στην κατάσταση ισορροπίας εξισώνονται οι ταχύτητες των αντίθετων αντιδράσεων.

[Γ]γ [Δ]δ έχει σε ορισμένες συνθήκες σταθερή τιμή α β [A] [Β]

Αποδεικνύεται ότι το πηλίκο:

και το ονομάζουμε σταθερά της χημικής ισορροπίας σχετική με τις συγκεντρώσεις. Η σταθερά της χημικής ισορροπίας συμβολίζεται με τα γράμματα ΚC οπότε:

[Γ]γ [Δ]δ KC = α β [A] [Β]

Η τιμή της σταθεράς ΚC μιας χημικής ισορροπίας εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία. Η σχέση K C =

[Γ]γ [Δ]δ λέγεται και νόμος της χημικής ισορροπίας, διατυπώνεται δε [A]α [Β]β

ως εξής: «Όταν μια αμφίδρομη αντίδραση βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας, το πηλίκο του γινομένου των δρώσων μαζών των προϊόντων προς το γινόμενο των δρώσων μαζών των αντιδρώντων σε ορισμένη θερμοκρασία είναι σταθερό». Δρώσα ή ενεργός μάζα λέγεται η συγκέντρωση της ουσίας υψωμένη σε δύναμη ίση με το συντελεστή της ουσίας στη χημική εξίσωση. Συμβατικά θεωρούμε ως αντιδρώντα τα σώματα που βρίσκονται αριστερά και ως προϊόντα τα σώματα που βρίσκονται δεξιά του βέλους. Παρατηρήσεις Όταν αντιστρέψουμε μια αμφίδρομη αντίδραση οι σταθερές ισορροπίας αντιστρέφονται π.χ. η αντίδραση: H2 + I2 ⇌ 2 HI έχει σταθερά ισορροπίας Κc και η αντίδραση: 2 ΗΙ ⇌ Η2 + Ι2 έχει σταθερά ισορροπίας K'C όπου K'C =

1 KC

Όταν πολλαπλασιάσουμε μια αντίδραση με έναν αριθμό η σταθερές ισορροπίας υψώνονται στην αντίστοιχη δύναμη, π.χ. όταν η αντίδραση: H2 + I2 ⇌ 2 HI αντιστραφεί: 2 H2 + 2 I2 ⇌ 4 HI η σταθερά ισορροπίας της γίνεται K'C = (K C )2

Όταν μεταβάλλεται η θερμοκρασία και η ισορροπία μετακινείται προς τα δεξιά αυξάνεται η τιμή της σταθεράς Kc ενώ όταν μετακινείται προς τα αριστερά η τιμή της Kc μειώνεται.

-78-

4η ενότητα - Χημική Ισορροπία

Ασκήσεις Από το σχολικό βιβλίο: Παράδειγμα 4.4, 4.5, 4.6 και οι εφαρμογές τους Ασκήσεις 27,28,29, 30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41 Χημικό σύστημα σε ισορροπία 24.

Σε δοχείο σταθερού όγκου V = 1 L έχει αποκατασταθεί σε θ °C η χημική ισορροπία: 2 CO(g) ⇌ C(s) + CO2(g) Το μείγμα ισορροπίας των αερίων έχει περιεκτικότητα 44 % w/w σε CO2, ενώ τα συνολικά mol των αερίων είναι 0,075. Να υπολογίσετε: α. τη σύσταση σε mol του μείγματος ισορροπίας. β. την τιμή και τη μονάδα της σταθεράς KC της ισορροπίας στους θ °C. Δίνονται οι σχετικές ατομικές μάζες: C = 12, O = 16 Απάντηση α.

Το αέριο μείγμα αποτελείται από CO2 και CO. 100 g του μείγματος περιέχουν 44 g CO2 και 56 g CO.

Σε 100 g μείγματος περιέχονται: 44/44 = 1 mol CO2 και

56/28 = 2 mol CO

Στα 3 mol μείγματος υπάρχουν 1 mol CO2 και 2 mol CO Στα 0,075 >> >> >> x; >> >> y; >> >>

x = 0,025 mol CO2,

β.

Οι συγκεντρώσεις ισορροπίας των αερίων είναι: 0,025 0,05 [CO2 ] = = 0,025 M και [CO] = = 0,05 M 1 1

25.

y = 0,05 mol CO

[CO2 ] 0,025 οπότε η σταθερά ισορροπίας είναι: K C = = =10M−1 2 2 [CO] (0,05)

Ένα δοχείο περιέχει σε κατάσταση ισορροπίας Ν2Ο4 και ΝΟ2 σε θ °C. Το μείγμα ισορροπίας περιέχει 20 % v/v Ν2Ο4 και ο όγκος του δοχείου είναι 4 L. Η σταθερά KC της χημικής ισορροπίας: Ν2Ο4(g) ⇌ 2 ΝΟ2(g) στους θ °C είναι ίση με 10. Να υπολογίσετε πόσα mol από κάθε αέριο περιέχει το δοχείο. Λύση Το μείγμα ισορροπίας περιέχει 20 % v/v Ν2Ο4 και 80 % ΝΟ2, επομένως ο όγκος του NO2 είναι τετραπλάσιος από τον όγκο του Ν2Ο4. Οι όγκοι σε ίδια πίεση και θερμοκρασία είναι ανάλογοι των mol επομένως το μείγμα ισορροπίας περιέχει x mol N2O4 και 4x mol NO2.

-79-

4η ενότητα - Χημική Ισορροπία Χημικό σύστημα που καταλήγει σε ισορροπία 30.

Σε κενό δοχείο εισάγονται 0,8 g H2 και 76,2 g Ι2 τα οποία αντιδρούν και σχηματίζουν ΗΙ. Στην κατάσταση ισορροπίας στο δοχείο υπάρχουν 0,4 g H2. Να υπολογίσετε: α. τη σταθερά KC της ισορροπίας: Η2(g) + Ι2(g) ⇌ 2 ΗΙ(g) β. την απόδοση της αντίδρασης. Σχετικές ατομικές μάζες: H = 1, I = 127. Η αντίδραση πραγματοποιείται σε θ °C. Λύση

Υπολογίζουμε τα mol των σωμάτων που βάλαμε στο δοχείο.

n(Ι2) = 76,2/254 = 0,3 mol

και

n(Η2) = 0,8/2 = 0,4 mol

Καταγράφουμε σε πίνακα τις μεταβολές που πραγματοποιούνται κατά τη διάρκεια της αντίδρασης.

Η2(g) + Ι2(g) ⇌ 2 ΗΙ(g) Αρχικά

0,4 mol

0,3 mol

-

x mol

x mol

-

-

-

2x mol

(0,4−x) mol

(0,3−x) mol

2x mol

Αντιδρούν Σχηματίζονται Χημική Ισορροπία

Στην κατάσταση ισορροπίας περιέχονται: 0,4 g H2 ή n = 0,4:2 = 0,2 mol H2, οπότε 0,4−x = 0,2 ⇔ x = 0,2. Άρα στην κατάσταση ισορροπίας στο δοχείο περιέχονται: n(H2) = 0,2 mol H2 n(I2) = 0,3−0,2 = 0,1 mol n(HI) = 0,4 mol α.

β.

Η σταθερά ισορροπίας είναι ίση με:

KC =

⎛ 0,4 ⎞ ⎜⎝ V ⎟⎠

2

[HI]2 = =8 [H2 ][I2 ] ⎛ 0,2 ⎞ ⎛ 0,1 ⎞ ⎜⎝ V ⎟⎠ ⎜⎝ V ⎟⎠

Το υδρογόνο βρίσκεται σε περίσσεια και το ιώδιο σε έλλειμμα. Η απόδοση της αντίδρασης υπολογίζεται από το Ι2 και είναι ίση με: x 0,2 α= = = 0,667= 66,7% 0,3 0,3

-81-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου 31.

Η σταθερά ΚC της ισορροπίας: 2 ΝΗ3(g) ⇌ Ν2(g) + 3 Η2(g) είναι ίση με 3 στους θ oC. Σε κενό δοχείο που έχει σταθερό όγκο 9 L βάζουμε μια ποσότητα ΝΗ3 η οποία διασπάται στους θ °C σύμφωνα με την παραπάνω αντίδραση. Στην κατάσταση ισορροπίας στο δοχείο υπάρχουν 3 mol NH3. Να υπολογίσετε την αρχική μάζα της ΝΗ3 και τον συντελεστή απόδοσης της αντίδρασης.

Ar: N = 14, H = 1 Λύση Πίνακας μεταβολών: 2 ΝΗ3(g) ⇌ Ν2(g) + 3 Η2(g) αρχικά

ω mol

-

-

αντιδρούν-παράγονται

2x mol

x mol

3x mol

τελικά (χημική ισορροπία)

(ω-2x) mol

x mol

3x mol

Στην ισορροπία έχουμε ω-2x = 3 mol NH3 (1)

Εφαρμόζουμε τη σταθερά Kc: K C =

[N2 ][H2 ]3 [NH3 ]

⇒3=

⎛ x ⎞ ⎛ 3x ⎞ ⎜⎝ 9 ⎟⎠ ⎜⎝ 9 ⎟⎠ ⎛ 3⎞ ⎜⎝ 9 ⎟⎠

2

2

⇒ x =3

Από την (1) έχουμε: ω = 9. Αρχική μάζα αμμωνίας: m(ΝΗ3) = n·Mr = 153 g NH3 Συντελεστής απόδοσης: α = 2x/ω = 2/3 32.

Σε κενό δοχείο όγκου 2 L εισάγουμε μια ποσότητα αερίου σώματος Α το οποίο διασπάται σε ποσοστό 40 % σύμφωνα με την αντίδραση: Α(g) ⇌ Β(g) + Γ(g) Στην κατάσταση ισορροπίας το δοχείο περιέχει 6 mol Α. Να υπολογίσετε: α. την αρχική ποσότητα του σώματος Α. β. τις ποσότητες των σωμάτων Β και Γ στην κατάσταση ισορροπίας. γ. τη σταθερά KC της ισορροπίας (τιμή και μονάδα) στη θερμοκρασία που πραγματοποιείται η αντίδραση. Λύση Στην αρχή έχουμε ω mol από το Α, διασπάται το 40 % δηλαδή 0,4ω mol Πίνακας μεταβολών: Α(g) ⇌ Β(g) + Γ(g)

α.

β.

αρχικά

ω mol

-

-

αντιδρούν-παράγονται

0,4ω mol

0,4ω mol

0,4ω mol

τελικά (χημική ισορροπία)

0,6ω mol

0,4ω mol

0,4ω mol

Στην ισορροπία έχουμε 0,6ω = 6 άρα ω = 10 mol Αρχική ποσότητα Α: 10 mol Στην ισορροπία έχουμε 4 mol B και 4 mol Γ -82-

4η ενότητα - Χημική Ισορροπία

33.

γ.

Εφαρμόζουμε τη σταθερά Kc:

⎛ 4⎞ ⎛ 4⎞ [B][Γ] ⎜⎝ 2 ⎟⎠ ⎜⎝ 2 ⎟⎠ 4 KC = = ⇔ Kc= mol /L [A] ⎛ 6⎞ 3 ⎜⎝ 2 ⎟⎠

Ισομοριακό μείγμα Η2 και ατμών I2 έχει όγκο 89,6 L σε stp συνθήκες. Το μείγμα εισάγεται σε κενό δοχείο σταθερού όγκου V = 4 L και θερμαίνεται σε θ °C, οπότε αποκαθίσταται η ισορροπία:

Η2(g) + Ι2(g) ⇌ 2 ΗΙ(g) Αν η σταθερά ΚC της ισορροπίας στους θ °C είναι ίση με 9, να υπολογίσετε: α. τη σύσταση σε mol κάθε αερίου στην κατάσταση ισορροπίας. β. την απόδοση της αντίδρασης. γ. τη μέση ταχύτητα της αντίδρασης σχηματισμού του ΗΙ μέχρι τη στιγμή 5 min που αποκαθίσταται η ισορροπία. Λύση Υπολογίζουμε τα συνολικά mol του μείγματος: n = 89,6/22,4 = 4 mol Εφόσον το μείγμα είναι ισομοριακό περιέχει 2 mol από κάθε ουσία. Πίνακας μεταβολών: Η2(g) + Ι2(g) ⇌ 2 HI(g) αρχικά 2 mol 2 mol αντιδρούν-παράγονται x mol x mol 2x mol τελικά (2-x) mol (2-x) mol 2x mol

⎛ 2x ⎞ ⎜⎝ V ⎟⎠

2

[HI]2 ⇒9= ⇔ x = 1,2mol [H2 ][I2 ] ⎛ 2− x⎞ ⎛ 2− x⎞ ⎜⎝ 2 ⎟⎠ ⎜⎝ 2 ⎟⎠

α.

KC =

Στην ισορροπία έχουμε 0,8 mol Η2, 0,8 mol Ι2, 2,4 mol ΗΙ

β.

α = x/2 = 0,6 ή 60 %

γ.

Δ[HI] [HI]τελ −[HI]αρχ 2,4 4 − 0 υ= = = = 0,06 M/min 2Δt 2Δt 10

-83-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου 34.

Ορισμένη ποσότητα ατμών HI εισάγεται σε κενό δοχείο σταθερού όγκου V και θερμαίνεται στους θ °C. Το ΗΙ διασπάται σύμφωνα με τη χημική εξίσωση: 2 ΗΙ(g) ⇌ Η2(g) + Ι2(g) Η μεταβολή της συγκέντρωσης του HI σε συνάρτηση με το χρόνο περιγράφεται στο διάγραμμα που ακολουθεί.

α. β.

Να υπολογίσετε τη σταθερά ΚC της ισορροπίας. Η ίδια ποσότητα ατμών HΙ εισάγεται σε άλλο δοχείο όγκου 2V. Ποιες θα είναι οι συγκεντρώσεις των τριών αερίων μετά την αποκατάσταση της ισορροπίας στους θ οC; Λύση

α.

Θεωρούμε ότι εισάγονται στο δοχείο ω mol ΗΙ. Πίνακας μεταβολών: 2 HI(g) ⇌ H2(g) + I2(g) αρχικά ω mol αντιδρούν-παράγονται 2x mol x mol x mol τελικά (ω-2x) mol x mol x mol Από το διάγραμμα έχουμε αρχικά [ΗΙ]=1 Μ ή ω/V = 1 Μ ή ω = V (1) Στη χημική ισορροπία [ΗΙ]=0,5 Μ ή (ω-2x)/V = 0,5 ή ω-2x = 0,5V (2) Από τις (1) και (2) έχουμε x = 0,25V (3)

KC =

β.

[H2 ][I2 ] [HI]2

=

⎛ x⎞⎛ x⎞ ⎜⎝ V ⎟⎠ ⎜⎝ V ⎟⎠ ⎛ ω − 2x ⎞ ⎜⎝ 2 ⎟⎠

2

=

0,25⋅0,25 1 = 4 0,52

Σε όγκο 2V έχουμε τα ίδια αρχικά mol HI. Πίνακας μεταβολών: 2 HI(g) ⇌ H2(g) + I2(g) αρχικά V mol αντιδρούν-παράγονται 2y mol y mol y mol τελικά (V-2y) mol y mol y mol

KC =

[H2 ][I2 ] [HI]2

⎛ y ⎞⎛ y ⎞ 1 ⎜⎝ 2V ⎟⎠ ⎜⎝ 2V ⎟⎠ ⇒ = ⇒ y = 0,25V 4 ⎛ V − 2y ⎞ 2 ⎜⎝ 2V ⎟⎠

[HI] = 0,5V/2V = 0,5 M και [H2] = [I2] = 0,25V/2V = 0,125 M

-84-

4η ενότητα - Χημική Ισορροπία 35.

Σε δοχείο σταθερού όγκου V εισάγονται 2 mol NO2 και 2 mol SO2 τα οποία αντιδρούν με απόδοση 50 % και σχηματίζουν ΝΟ και SO3. α. Να υπολογίσετε τη σταθερά KC της ισορροπίας των αερίων NO2(g) + SO2(g) ⇌ SO3(g) + NO(g) β. Σε όμοιο δοχείο και στην ίδια θερμοκρασία εισάγονται 2 mol ΝΟ2 και μια ποσότητα SO2. Να υπολογίσετε την ποσότητα σε mol του SO2 ώστε ο συντελεστής απόδοσης της αντίδρασης να γίνει ίσος με α = 0,8. Να εξετάσετε δύο περιπτώσεις. Στην πρώτη περίπτωση να υπάρχει περίσσεια SΟ2 και στην δεύτερη περίπτωση να υπάρχει περίσσεια NO2. Λύση α.

Πίνακας μεταβολών: NO2(g) + SO2(g) ⇌ NO(g) + SO3(g) αρχικά 2 mol 2 mol αντιδρ.-παράγ.

1 mol 1 mol 1 mol 1 mol τελικά 1 mol 1 mol 1 mol 1 mol Η απόδοση είναι 50 % άρα αντιδρά 1 mol από κάθε σώμα.

KC =

β.

[NO][SO3 ]

=

(1 / v )(1 / v ) = 1 (1 / v )(1 / v )

[NO2 ][SO2 ]

Θεωρούμε ότι εισήχθησαν ω mol SO2

Πίνακας μεταβολών: NO2(g) + SO2(g) ⇌ NO(g) + SO3(g) αρχικά 2 mol ω mol αντιδρ.-παράγ. x mol x mol x mol x mol τελικά (2-x) mol (ω-x) mol x mol x mol

KC =

[NO][SO3 ]

⇒1=

( x / v )( x / v ) ⇒ 1 = x (1) ((2 − x) / v )((ω − x) / v ) (2 − x)(ω − x) 2

[NO2 ][SO2 ]

Δεν γνωρίζουμε το σώμα που βρίσκεται σε περίσσεια, επομένως υπάρχουν 2 περιπτώσεις. i. Αν είναι σε περίσσεια το ΝΟ2, τότε ω < 2

α = x/ω ⇒ x = 0,8ω

Aπό την (1) βρίσκουμε ω = 0,5 mol

ii.

Αν είναι σε περίσσεια το SΟ2, τότε ω > 2 α = x/2 ⇒ x = 1,6 Aπό την (1) βρίσκουμε ω = 8 mol

-85-

4η ενότητα - Χημική Ισορροπία 46.

Ένα δοχείο όγκου 10 L περιέχει 60 g σκόνης C. Εισάγουμε στο δοχείο 44,8 L CO2 μετρημένα σε stp συνθήκες. Το μείγμα C και CO2 θερμαίνεται στους 727 oC. Αποκαθίσταται η ισορροπία: C(s) + CO2(g) ⇌ 2 CO(g) Στην κατάσταση ισορροπίας η συνολική μάζα των αερίων είναι 100 g. Να υπολογίσετε: α. την απόδοση της αντίδρασης. β. τη σταθερά Κc της ισορροπίας και τη μονάδα της στους 727 °C. γ. την ολική πίεση των αερίων στην κατάσταση ισορροπίας. Δίνονται οι σχετικές ατομικές μάζες C = 12, O = 16, και η σταθερά των αερίων R = 0,082 atm·L·mol-1K-1. Λύση

n = m/Mr = 60/12 = 5 mol C, n = V/Vm = 44,8/22,4 = 2 mol CO2

Πίνακας μεταβολών: C(s) + CO2(g) ⇌ 2 CO(g) αρχικά 5 mol 2 mol αντιδρ.-παράγ. x mol x mol 2x mol τελικά (5-x) mol (2-x) mol 2x mol

α.

Στην ισορροπία το δοχείο περιέχει 100 g στερεών, οπότε: m(CO2)+m(CO) = 100 g ⇒ (2-x)·44 + 2x·28 = 100 ⇒ x = 1

Σε έλλειμμα βρίσκεται το CO2 οπότε α = x/2 = 1/2 = 0,5 ή 50 %

β.

Στην κατάσταση ισορροπίας υπάρχουν: 5-x = 4 mol C, 2-x = 1 mol CO2, 2x = 2 mol CO [CO2] = 1/V = 0,1 M, [CO] = 2/V = 0,2 M

2

KC =

[CO]

2

⇒ Kc =

(0,2M)

⇒ Kc = 0,4 M

γ.

Στην κατάσταση ισορροπίας υπάρχουν συνολικά 3 mol αερίων

PV = nRT ⇒ P =

•

Προσοχή στην Kc και στην πίεση δεν βάζουμε το στερεό C.

[CO2 ]

0,1M

3⋅0,082 ⋅1000 10

= 24,6 atm

-89-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου 47.

Σε κενό δοχείο Δ1 όγκου 8,2 L εισάγουμε 12 g NO και θερμαίνουμε στους 127 oC, οπότε το ΝΟ διασπάται προς Ν2 και Ο2. Αποκαθίσταται η χημική ισορροπία: 2 ΝΟ(g) ⇌ N2(g) + O2(g) Διαπιστώθηκε ότι έχει διασπαστεί το 50 % του ΝΟ. Να υπολογίσετε: α. τη σταθερά Κc της ισορροπίας στους 127 °C. β. την ολική πίεση των αερίων της ισορροπίας. γ. την απόδοση της αντίδρασης σχηματισμού του ΝΟ, όταν σε κενό δοχείο Δ2 σταθερού όγκου εισάγουμε ατμοσφαιρικό αέρα και τον θερμάνουμε στους 127 oC. Δίνονται: ο ατμοσφαιρικός αέρας περιέχει 20 % V/V O2 και 80 % V/V N2, Ar(N)=14, Ar(Ο)=16, R = 0,082 atm·L·mol-1K-1. Λύση

α.

n = m/Mr = 12/30 = 0,4 mol ΝΟ

Πίνακας μεταβολών: 2 ΝΟ(g) ⇌ N2(g) + O2(g) αρχικά 0,4 mol αντιδρ.-παράγ.

2x mol x mol x mol τελικά (0,4-2x) mol x mol x mol Αφού αντιδρά το 50 % του ΝΟ, ισχύει: 2x = 0,5·0,4 ⇒ 2x = 0,2 ⇒ x = 0,1 mol Στην ισορροπία υπάρχουν: 0,2 mol NO, 0,1 mol N2, 0,1 mol O2.

0,1 0,1 )( ) V V ⇒ Kc = 1 / 4 KC = ⇒ Kc = 0,2 [CO]2 ( )2 V

[N2 ][O2 ]

(

β.

Συνολικά mol αερίων ισορροπίας: 0,4 mol 0,4⋅0,082⋅400 PV = nRT ⇒ P = = 1,6 atm 8,2

γ.

Ο αέρας περιέχει 20 % v/v Ο2 και 80 v/v % Ν2. Επομένως το Ν2 είναι τετραπλάσιο από το Ο2. Εισάγονται ω mol O2 και 4ω mol N2 Πίνακας μεταβολών: 2 ΝΟ(g) ⇌ N2(g) + O2(g) αρχικά 4ω mol ω mol αντιδρ.-παράγ.

2x mol x mol x mol τελικά 2x mol (4ω-x) mol (ω-x) mol

[N ][O ] 1 (4ω − x)(ω − x) K c = 2 22 ⇒ = ⇒ x2 = 4ω 2 − 5ωx + x2 ⇒ x = 0,8ω 2 4 [NO] (2x)

x Το Ο2 είναι σε έλλειμμα επομένως: α = = 0,8 ή 80 % ω

-90-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου Μετατόπιση της χημικής ισορροπίας με μεταβολή της συγκέντρωσης 52.

Η χημική ισορροπία: A(g) + Β(g) ⇌ Γ(g) + Δ(g) στους θ °C έχει σταθερά ισορροπίας KC = 4. Ένα δοχείο περιέχει σε κατάσταση ισορροπίας 3 mol A, 3 mol B, 6 mol Γ, και μια ποσότητα Δ. Να υπολογίσετε: α. την ποσότητα σε mol του σώματος Δ. β. την ποσότητα σε mol του σώματος Γ που πρέπει να προσθέσουμε στο δοχείο ώστε σε σταθερή θερμοκρασία θ °C να ελαττωθεί το Δ κατά 10 %. Λύση

α.

A(g) + Β(g) ⇌ Γ(g) + Δ(g) Χημική ισορ. 3 mol 3 mol 6 mol α mol

6α [Γ][Δ] v v ⇔α = 6 K = ⇒4= C 33 [A][B] vv

β.

Όταν προσθέτουμε μια ποσότητα από το Γ (έστω x mol) η ισορροπία σύμφωνα με την αρχή Le Chatelier “μετακινείται” προς τ' αριστερά ώστε να μειωθεί η ποσότητα του Γ.

Καταγράφουμε σε πίνακα τις μεταβολές.

A(g) + Β(g) ⇌ Γ(g) + Δ(g) Αρχική Χ.Ι.

3 mol 3 mol 6 mol 6 mol Μεταβολή +x mol Αντιδρ.-Παραγ. +ψ mol + ψ mol -ψ mol -ψ mol Νέα Χ.Ι.

(3+ψ) mol (3+ψ) mol (6+x-ψ) mol (6-ψ) mol Αφού μειώνεται η ποσότητα του σώματος Δ κατά 10 %, σημαίνει ότι αντιδρούν: ψ = 10 %·6 mol = 0,6 mol Δ.

Στη νέα κατάσταση ισορροπίας το δοχείο περιέχει: 3+ψ = 3,6 mol Α

3+ψ = 3,6 mol B 6+x-ψ = 5,4-x mol Γ

6-ψ = 5,4 mol Δ

Η ΚC είναι σταθερή στην ίδια θερμοκρασία. Εφαρμόζουμε τη σχέση: (5,4−x) 5,4 [Γ][Δ] v v

K C = ⇒4= 3,6 3,6 ⇔ x = 4,2 mol Γ [A][B] v v

-92-

4η ενότητα - Χημική Ισορροπία 53.

Σε κενό δοχείο σταθερού όγκου 10 L εισάγονται 3 mol PCl5, τα οποία θερμαίνονται στους 227 °C, οπότε ο PCl5 αρχίζει να διασπάται προς PCl3 και Cl2. Αποκαθίσταται η ισορροπία: PCl5(g) ⇌ PCl3(g) + Cl2(g) οπότε στο δοχείο περιέχονται 71 g Cl2. α. Να υπολογίσετε τη σταθερά ισορροπίας ΚC και το βαθμό διάσπασης (συντελεστή απόδοσης) του PCl5. β. Να υπολογίσετε την ολική πίεση των αερίων στην κατάσταση ισορροπίας. γ. Προσθέτουμε στο μείγμα ισορροπίας μια ποσότητα Cl2 σε σταθερή θερμοκρασία 227 °C και μετά την αποκατάσταση της νέας ισορροπίας το μείγμα των αερίων ασκεί πίεση 20,5 atm. Πόσα mol του Cl2 προσθέσαμε στο δοχείο; L ⋅atm Ατομικό βάρος Cl = 35,5, R = 0,082 mol⋅K

Λύση α.

β. γ.

Πίνακας μεταβολών: PCl5(g) ⇌ PCl3(g) + Cl2(g) αρχικά 3 mol αντιδρ.-παράγ. x mol x mol x mol τελικά (3-x) mol x mol x mol Το δοχείο περιέχει 71 g Cl2 ή n = 71/71 = 1 mol, άρα x = 1 Εφαρμόζουμε την Kc: [PCl3][Cl2 ] 1v 1v 1 KC = = 2 ⇒ KC =

[PCl5 ] 20 v

Ο συντελεστής απόδοσης είναι ίσος με: α = x/3 = 1/3 n RT Από καταστατική εξίσωση υπολογίζουμε P = ολ = 16,4 atm V

Πίνακας μεταβολών: PCl5(g) ⇌ PCl3(g) + Cl2(g) αρχικά (Χ.Ι.)

2 mol 1 mol 1 mol μεταβολή +ω mol αντιδρ.-παράγ. x mol x mol x mol τελικά (2+x) mol (1-x) mol (1+ω-x) mol Προσθέσαμε Cl2 επομένως η ισορροπία μετατοπίζεται προς τ’ αριστερά (αρχή Le Chatelier).

PV Από την καταστατική εξίσωση έχουμε nολ = = 5 mol.

RT

Άρα 4+ω-x = 5 ⇒ ω-x = 1.

Kc =

[PCl3 ][Cl2 ] [PCl5 ]

⇒

1 20

=

(1 − x) / 10⋅3 / 10 (2 + x) / 10

-93-

⇒ x = 0,4 επομένως ω = 1,4 mol

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου 54.

Σε κλειστό κενό δοχείο σταθερού όγκου 10 L εισάγονται 2,5 mol φωσγενίου (COCl2). Στους 727 °C το φωσγένιο διασπάται, σύμφω να με τη χημική εξίσωση: COCl2(g) ⇌ CΟ(g) + Cl2(g) Στην κατάσταση ισορροπίας το δοχείο περιέχει 1,25 mol Cl2. α. Να υπολογίσετε την απόδοση της αντίδρασης. β. Να υπολογίσετε τη σταθερά ΚC της χημικής ισορροπίας στους 727 °C. γ. Προσθέτουμε ω mol φωσγενίου στην κατάσταση ισορροπίας. Αποκαθίσταται νέα ισορροπία στους 727 °C και τότε το δοχείο περιέχει 2,5 mol χλωρίου. Να βρεθούν τα ω mol. Λύση α.

β. γ.

Πίνακας μεταβολών: COCl2(g) ⇌ CΟ(g) + Cl2(g) αρχικά 2,5 mol αντιδρ.-παράγ. x mol x mol x mol τελικά (2,5-x) mol x mol x mol Στην ισορροπία x = 1,25 mol άρα α = x/2,5 = 0,5 ή 50 % [CO][Cl2 ] (1,25 /10)(1,25 /10) KC = = = 0,125 [COCl2 ] (1,25 /10)

Πίνακας μεταβολών: COCl2(g) ⇌ CΟ(g) + Cl2(g) αρχικά (Χ.Ι.)

1,25 mol 1,25 mol 1,25 mol μεταβολή +ω mol αντιδρ.-παράγ. x mol x mol x mol τελικά (1,25+ω-x) mol (1,25+x) mol (1,25+x) mol

Εφόσον αυξήθηκε η συγκέντρωση του COCl2 η ισορροπία σύμφωνα με την αρχή Le Chatelier μετατοπίζεται προς τα δεξιά.

Στη Χ.Ι. από το χλώριο έχουμε 1,25+x = 2,5 ⇒ x = 1,25 mol

Στην ισορροπία έχουμε: ω mol COCl2, 2,5 mol CO, 2,5 mol Cl2. Εφαρμόζουμε την Kc: [CO][Cl2 ] (2,5 /10)(2,5 /10) KC = ⇒ 0,125 = ⇒ ω = 5 mol [COCl2 ] (ω /10)

-94-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου Μετατόπιση της χημικής ισορροπίας με μεταβολή της πίεσης 58.

Δοχείο μεταβλητού όγκου έχει αρχικά όγκο 1 L και περιέχει σε κατάσταση ισορροπίας 4 mol ισομοριακού μείγματος Ν2Ο4 και ΝΟ2 στους θ °C. α. Να υπολογίσετε την τιμή και τη μονάδα της σταθεράς ΚC της

χημικής ισορροπίας Ν2Ο4(g) ⇌ 2 ΝΟ2(g) β. Τριπλασιάζουμε τον όγκο του δοχείου διατηρώντας σταθερή τη θερμοκρασία. Όταν αποκαθίσταται ισορροπία πόσα mol από κάθε αέριο περιέχονται στο δοχείο; Λύση α. Το μείγμα είναι ισομοριακό επομένως περιέχει 2 mol από κάθε 2

β.

[NO2 ] 22 M2 αέριο, K C = = =2M [N2O4 ] 2M

Πίνακας μεταβολών:

Ν2Ο4(g) ⇌ 2 ΝΟ2(g) αρχικά (Χ.Ι.)

2 mol 2 mol μεταβολή αύξηση του όγκου αντιδρούν - παράγονται y mol 2y mol τελικά (2-y) mol (2+2y) mol Με την αύξηση του όγκου μειώνεται η ολική πίεση και η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα δεξιά (σύμφωνα με την αρχή Le Chatelier τείνει να αυξήσει τα συνολικά mol των αερίων ώστε να αυξηθεί η πίεση). Η θερμοκρασία είναι σταθερή επομένως η Kc διατηρείται σταθερή.

KC =

[NO2 ]2 [N2O4 ]

⇒2=

⎛ 2 + 2y ⎞ ⎜⎝ 3 ⎟⎠ 2− y 3

2

⇒ y = 0,5 mol

Επομένως το δοχείο περιέχει 1,5 mol N2O4 και 3 mol NO2.

-96-

4η ενότητα - Χημική Ισορροπία 59.

Σε δοχείο μεταβλητού όγκου επικρατεί η ισοροπία: Α(g) ⇌ 2 Β(g). Το μείγμα περιέχει 2 mol A και 2 mol Β. Διατηρούμε σταθερή τη θερμοκρασία και μειώνουμε τον όγκο του δοχείου κατά 80 %. Να υπολογίσετε: α. Πόσα mol από το αέριο Α περιέχει το δοχείο στη νέα Χ.Ι. β. Το λόγο P2/P1 όπου P2 είναι η πίεση που επικρατεί στο δοχείο στην κατάσταση της νέας χημικής ισορροπίας και P1 η πίεση που επικρατεί στην αρχική κατάσταση χημικής ισορροπίας. Λύση

α.

( )

2 2 [B]2 v 2 Έστω ότι ο αρχικός όγκος είναι V L, οπότε: K C = = 2 =v [A] v

Αφού μειώνεται ο όγκος, η πίεση αυξάνεται. Τότε η ισορροπία μετακινείται προς τ' αριστερά (σύμφωνα με την αρχή Le Chatelier, ώστε να μειωθεί ο αριθμός των μορίων των αερίων). Πίνακας μεταβολών: Α(g) ⇌ 2 Β(g) αρχικά (Χ.Ι.)

2 mol 2 mol μεταβολή -2x mol αντιδρ.-παράγ. +x mol τελικά (2+x) mol (2-2x) mol

H σταθερά ισορροπίας KC έχει την ίδια τιμή, διότι η θερμοκρασία είναι σταθερή. Ο όγκος του δοχείου έχει μειωθεί κατά 80 % δηλαδή έχει γίνει το 20 % του αρχικού όγκου, δηλαδή είναι 0,2V.

β.

(

)

2

2−2x [B]2 0,2v KC = = 2+x ⇒ x = 1,6 ή x = 0,5 [A] 0,2v

Δεχόμαστε την τιμή x = 0,5 που είναι μικρότερη από 1 ώστε οι ποσότητες στην κατάσταση ισορροπίας να είναι όλες θετικές. Στη νέα κατάσταση ισορροπίας το δοχείο περιέχει: 2+x = 2,5 mol A. Στην τελική κατάσταση ισορροπίας n2 = (2+x) + (2-2x) = 3,5 mol Στην αρχική κατάσταση ισορροπίας n1 = 4 Εφαρμόζουμε την καταστατική εξίσωση για το μείγμα της τελικής κατάστασης ισορροπίας (που ασκεί πίεση P2) και για το μείγμα της αρχικής κατάστασης ισορροπίας (που ασκεί πίεση P1).

P ⋅0,2V = n2RT (1) 2

P V = n1RT (2) 1

Με διαίρεση κατά μέλη των σχέσεων (2):(1) έχουμε: 0,2P2 n2 P 35 = ⇔ 2= P n1 P1 8 1

-97-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου 60.

Σε κενό δοχείο όγκου 5 L βάζουμε 50 g CaCO3, τα οποία θερμαίνονται στους 727 οC και διασπώνται προς CaO και CO2. Αποκαθίσταται η ισορροπία: CaCO3(s) ⇌ CaO(s) + CO2(g), και η ολική πίεση στο δοχείο γίνεται 3,28 atm. α. Να υπολογίσετε τη σταθερά ΚC της ισορροπίας καθώς και το ποσοστό διάσπασης του CaCO3. Ενώ το σύστημα βρίσκεται σε ισορροπία διπλασιάζουμε απότομα τον όγκο του δοχείου διατηρώντας σταθερή τη θερμοκρασία. β. Να υπολογίσετε τη μάζα του CaCO3 που υπάρχει στο δοχείο μετά την αποκατάσταση της ισορροπίας. Σε κενό δοχείο όγκου 20 L εισάγονται 50 g CaCO3 και θερμαίνονται στους 727 °C, τα οποία διασπώνται σύμφωνα με την παραπάνω ισορροπία. γ. Να δείξετε ότι είναι αδύνατον να αποκατασταθεί χημική ισορροπία.

L ⋅atm Ατομικά βάρη: Ca = 40, C = 12, O = 16, R = 0,082 mol⋅K

Λύση Αρχική ποσότητα CaCO3: n = m/Mr = 50/100 = 0,5 mol α. Πίνακας μεταβολών: CaCO3(s) ⇌ CaΟ(s) + CO2(g) αρχικά (Χ.Ι.) αντιδρ.-παράγ. τελικά

0,5 mol x mol (0,5-x) mol

x mol x mol

x mol x mol

PV = nRT ⇒ x = 0,2 (η πίεση οφείλεται μόνο στο αέριο CO2)

β.

γ.

Kc = [CO2] = 0,04, ποσοστό διάσπασης: α = x/0,5 = 0,4 = 40 % Πίνακας μεταβολών: CaCO3(s) ⇌ CaΟ(s) + CO2(g) αρχικά (Χ.Ι.)

0,3 mol 0,2 mol 0,2 mol μεταβολή αύξηση του όγκου αντιδρ.-παράγ. y mol y mol y mol τελικά (0,3-y) mol (0,2+y) mol (0,2+y) mol Με την αύξηση του όγκου (μείωση της πίεσης) η ισορροπία, σύμφωνα με την αρχή Le Chatelier, μετατοπίζεται προς τα δεξιά ώστε να αυξηθεί ο αριθμός mol των αερίων και να προκαλέσει αύξηση της πίεσης.

Kc = [CO2] ⇒ y = 0,2 και m(CaCO3) = 0,1·100 = 10 g Πίνακας μεταβολών: CaCO3(s) ⇌ CaΟ(s) + CO2(g) αρχικά (Χ.Ι.)

0,5 mol αντιδρ.-παράγ. ω mol ω mol ω mol τελικά (0,5-ω) mol ω mol ω mol Kc = [CO2] = 0,04 ⇒ ω/20 = 0,04 ⇒ ω = 0,8 mol Αυτό είναι αδύνατο διότι η αρχική ποσότητα του CaCO3 είναι ίση με 0,5 mol -98-

4η ενότητα - Χημική Ισορροπία 61.

Σε δοχείο όγκου 10 L περιέχονται σε κατάσταση ισορροπίας 84 g CO, 54 g H2O και ισομοριακές ποσότητες CO2 και Η2. Η σταθερά ΚC της ισορροπίας: CΟ(g) + H2O(g) ⇌ CO2(g) + H2(g), είναι ίση με 4 στους θ °C. α. Να υπολογίσετε τη συγκέντρωση του CO2 στο μείγμα ισορροπίας. Διπλασιάζουμε τον όγκο του δοχείου διατηρώντας τη θερμοκρασία σταθερή. β. Να υπολογίσετε τη τελική συγκέντρωση του CO2. γ. Πόσα g H2O(g) πρέπει να προσθέσουμε στο δοχείο των 20 L (υπό θ = σταθερή), ώστε η συγκέντρωση του CO2 να γίνει ίση με 0,4 Μ. Δίνονται: Ar: C = 12, O = 16, H = 1 Λύση α.

β.

γ.

Το δοχείο περιέχει: n(CO) = 84/28 = 3 mol, n(H2O) = 54/18 = 3 mol, y mol CO2, y mol H2.

CO(g) + H2O(g) ⇌ CO2(g) + H2(g) X.I. 3 mol 3 mol y y y y [CO2 ][H2 ] Εφαρμόζουμε την Kc: K C = ⇒4= 3v 3v ⇒ y = 6 [CO][H2O] vv

[CΟ2] = 6/10 = 0,6 Μ Όταν διπλασιάζουμε τον όγκο η ισορροπία δεν επηρεάζεται (διότι δεν μπορεί να μεταβάλλει το συνολικό αριθμό mol των αερίων). Άρα η τελική συγκέντρωση του CO2 γίνεται [CΟ2] = 6/20 = 0,3 Μ Θεωρούμε ότι προσθέσαμε ω mol Η2Ο. Η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα δεξιά (σύμφωνα με την αρχή Le Chatelier ώστε να μειωθεί η συγκέντρωση του Η2Ο). Μεταβολές: CO(g) + H2O(g) ⇌ CO2(g) + H2(g) αρχική ισορροπία 3 mol 3 mol 6 mol 6 mol μεταβολή ω mol αντιδρ.-παράγ. x mol x mol x mol x mol τελικά 3-x mol 3+ω-x mol 6+x mol 6+x mol Στη νέα ισορροπία υπάρχουν n = CV = 0,4·20 = 8 mol ⇒ x = 2

n(CO2) =1 mol, n(H2O) = (1+ω) mol, n(CO2) = 8 mol, n(H2) = 8 mol 88 [CO2 ][H2 ] v ⇒ ω = 15 Εφαρμόζουμε την Kc: K C = ⇒4= 1 v1+ω [CO][H2O] v v

m(H2O) = n·Μr = 15·18 = 270 g

-99-

4η ενότητα - Χημική Ισορροπία Μετατόπιση της χημικής ισορροπίας με μεταβολή της θερμοκρασίας 65.

Αέριο μείγμα όγκου 89,6 L μετρημένα σε stp, αποτελείται από Ν2 και Η2 με αναλογία mol 1:3 αντίστοιχα. Το μείγμα εισάγεται σε κενό δοχείο σταθερού όγκου 3 L και θερμαίνεται στους θ οC. Αποκαθίσταται η χημική ισορροπία: Ν2(g) + 3 Η2(g) ⇌ 2 ΝΗ3(g), ΔΗ < 0 Το γραμμομοριακό κλάσμα της ΝΗ3 στο μείγμα ισορροπίας (δηλαδή το κλάσμα n(NH3)/n(ολικό) είναι ίσο με 0,6. α. Να υπολογίσετε τη σταθερά ΚC της ισορροπίας, και την απόδοση της αντίδρασης στους θ οC. β. Αυξάνουμε τη θερμοκρασία στο σύστημα της ισορροπίας.

Να εξετάσετε προς τα που θα εκδηλωθεί αντίδραση και

πως θα μεταβληθεί η τιμή της σταθεράς Kc της ισορροπίας. Λύση α.

V 89,6 Τα συνολικά mol του μείγματος είναι: nολ = = = 4 mol 22,4 22,4

n(N2) = x mol και n(H2) = 3x mol, οπότε: x + 3x = 4 ⇔ x = 1 mol Καταγράφουμε σε πίνακα τις μεταβολές.

Ν2(g) + 3 Η2(g) ⇌ 2 ΝΗ3(g) Αρχικά 1 mol 3 mol Αντιδρούν x mol 3x mol Σχηματίζονται 2x mol Χημική Ισορροπία (1−x) mol (3−3x) mol 2x mol Από το γραμμομοριακό κλάσμα της αμμωνίας έχουμε: n(NH3 ) 2x = 0,6 = ⇔ x = 0,75 mol n(ολικα) (1− x)+ (3− 3x)+ 2x

Στην ισορροπία υπάρχουν: 1-0,75=0,25 mol N2,

3-3·0,75=0,75 mol H2,

2·0,75=1,5 mol ΝΗ3

(1,5 )2 [NH3 ]2 3 Kc = = = 192 [N2 ][H2 ]3 ( 0,25)( 0,75)3 3 3

Το Ν2 και το Η2 βρίσκονται σε στοιχειομετρική αναλογία, επομένως οι θεωρητικές ποσότητες είναι οι αρχικές. Από το Ν2 έχουμε: α = πρακτική/θεωρητική = x/1 = 0,75 ή 75 % β.

Όταν θερμαίνουμε το μείγμα ισορροπίας εκδηλώνεται σύμφωνα με την αρχή Le Chatelier ενδόθερμη αντίδραση. Επομένως η ισορροπία “μετατοπίζεται” προς τ’ αριστερά. Η τιμή της σταθεράς ισορροπίας μειώνεται (διότι μειώνεται ο αριθμητής του κλάσματος και αυξάνεται ο παρονομαστής).

-101-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου 66.

Ένα δοχείο σταθερού όγκου V = 2 L περιέχει 2 mol Η2 και 2 mol I2. To μείγμα θερμαίνεται στους θ1 °C, οπότε αποκαθίσταται η ισορροπία: Η2(g) + I2(g) ⇌ 2 HI(g) της οποίας η σταθερά είναι Κc = 64 στους θ1 °C. α. Να υπολογίσετε τον αριθμό mol του ΗΙ στην κατάσταση ισορροπίας. β. Μειώνουμε τη θερμοκρασία του συστήματος στους θ2 °C διατηρώντας τον όγκο του δοχείου σταθερό). Μετά την αποκατάσταση της χημικής ισορροπίας βρέθηκαν στο δοχείο 3 mol HΙ. Να εξετάσετε αν η σύνθεση του HI από Η2 και Ι2 είναι εξώθερμη ή ενδόθερμη και να υπολογίσετε την τιμή της Κc στους θ2 °C. Λύση α. Πίνακας μεταβολών: H2(g) + Ι2(g) ⇌ 2 ΗI(g) αρχικά 2 mol 2 mol αντιδρ.-παράγ. x mol x mol 2x mol χημική ισορροπία (2-x) mol (2-x) mol 2x mol

Εφαρμόζουμε την Kc

⎛ 2x ⎞ ⎜⎝ 2 ⎟⎠

2 2

⎛ 2x ⎞ [HI]2 KC = ⇒ 64 = ⇒ 64 = ⎜ ⇒ x = 1,6 [H2 ][I2 ] ⎛ 2− x⎞ ⎛ 2− x⎞ ⎝ 2 − x ⎟⎠ ⎜⎝ 2 ⎟⎠ ⎜⎝ 2 ⎟⎠

n(ΗΙ) = 2x = 3,2 mol β. Πίνακας μεταβολών: H2(g) + Ι2(g) ⇌ 2 ΗI(g) αρχικά (Χ.Ι.)

0,4 mol 0,4 mol 3,2 mol μεταβολή μείωση της θερμοκρασίας αντιδρ.-παράγ. x mol x mol 2x mol χημική ισορροπία (0,4+x) mol (0,4+x) mol (3,2-2x) mol Η μείωση της θερμοκρασίας ευνοεί την εξώθερμη. Το ΗΙ μειώνεται, συνεπώς η ισορροπία μετατοπίζεται προς τ’ αριστερά. Επομένως προς τ’ αριστερά είναι εξώθερμη και προς τα δεξιά (η σύνθεση του ΗΙ) είναι ενδόθερμη. Στη νέα ισορροπία ισχύει: 3,2-x = 3 ⇒ x = 0,2 n(H2) = 0,6 mol, n(I2) = 0,6 mol, n(HI) = 3 mol

KC ' =

⎛ 3⎞ ⎜⎝ 2 ⎟⎠

2

⎛ 9 ⎞ [HI]2 = = = 25 < K c [H2 ][I2 ] ⎛ 0,6 ⎞ ⎛ 0,6 ⎞ ⎜⎝ 0,36 ⎟⎠ ⎜⎝ 2 ⎟⎠ ⎜⎝ 2 ⎟⎠

Η ισορροπία μετατοπίστηκε προς τα αριστερά και η Kc μειώθηκε.

-102-

4η ενότητα - Χημική Ισορροπία 67.

Σε δοχείο σταθερού όγκου 1 L έχει απoκατασταθεί η ισορροπία που περιγράφεται από τη χημική εξίσωση: 2 SO3(g) ⇌ 2 SO2(g) + O2(g), ΔΗ > 0 Η μεταβολή της συγκέντρωσης των τριών αερίων σε συνάρτηση με το χρόνο, από την έναρξη της αντίδρασης μέχρι την αποκατάσταση της ισορροπίας περιγράφεται στο διπλανό διάγραμμα:

C (mol/L) 1 (1) 0,5 (2) (3)

t α. β. γ. δ.

Ποια καμπύλη αντιστοιχεί σε καθένα από τα αέρια σώματα; Πόσα mol κάθε αερίου είχαμε τοποθετήσει αρχικά στο δοχείο; Να υπολογίσετε τη σταθερά ΚC της ισορροπίας. Όταν αυξήσουμε τη θερμοκρασία η Kc θα μεταβληθεί; Αν ναι θα αυξηθεί ή θα μειωθεί; Λύση

α.

β.

Η καμπύλη (1) δείχνει ότι η συγκέντρωση μειώνεται άρα αντιστοιχεί στο SO3, η καμπύλη (2) αντιστοιχεί στο Ο2 που έχει μικρότερο συντελεστή άρα μικρότερη μεταβολή της συγκέντρωσης από το SO2 και η καμπύλη (3) στο SO2. Πίνακας μεταβολών: 2 SO3(g) ⇌ 2 SO2(g) + O2(g), ΔΗ > 0 αρχικά (Χ.Ι.)

1 M 0 x M αντιδρ./παράγονται 0,5 M 0,5 M 0,25 M νέα Χ.Ι.

0,5 M 0,5 M 0,5 M Σύμφωνα με τον πίνακα ισχύει: x + 0,25 = 0,5 οπότε x = 0,25. Άρα η αρχική συγκέντρωση του Ο2 είναι x = 0,25 Μ Αρχικά mol: 1 mol SO3, 0,25 mol O2, 0 mol SO2.

2

γ. δ.

[SO2 ] [O2 ] 0,520,5 KC = = = 0,5 [SO3 ]2 0,52

Μεταβάλλεται διότι η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα δεξιά (προς όφελος της ενδόθερμης). Η τιμή της Κc αυξάνεται.

-103-

4η ενότητα - Χημική Ισορροπία Συνδυαστικές ασκήσεις με τις προηγούμενες ενότητες 72. α. Να συμπληρώσετε τους συντελεστές της χημικής εξίσωσης: CO + KMnO4 + H2SO4 → CO2 + K2SO4 + MnSO4 + H2O β. Να υπολογίσετε πόσα mol CΟ2 σχηματίζονται από την πλήρη αντίδραση 100 mL διαλύματος KMnO4 συγκέντρωσης 2 Μ; γ. Η ποσότητα του αερίου CO2 που σχηματίζεται διοχετεύεται σε κενό δοχείο, όγκου V = 5 L με ισομοριακή ποσότητα αερίου H2 και αποκαθίσταται η ισορροπία:

CO2(g) + H2(g) ⇌ CO(g) + H2O(g) Αν στην κατάσταση ισορροπίας η συγκέντρωση του CO2 είναι ίση με 0,02 Μ, να υπολογίσετε: i. τη σταθερά ισορροπίας Kc ii. την απόδοση της αντίδρασης iii. τη μέση ταχύτητα σχηματισμού του CO μέχρι την αποκατάσταση της ισορροπίας (δίνεται ότι η ισορροπία αποκαταστάθηκε μετά από 4 s). Λύση α.

5 CO + 2 KMnO4 + 3 H2SO4 → 5 CO2 + K2SO4 + 2 MnSO4 + 3 H2O

β.

n = CV = 0,2 mol KMnO4 Στοιχειομετρικά από 2 mol KMnO4 σχηματίζονται 5 mol CO2

από 0,2 mol x = 0,5 mol CO2

γ.

Πίνακας μεταβολών: CO2(g) + H2(g) ⇌ CO(g) + H2Ο(g) αρχικά αντιδρ.-παράγ. τελικά Στην ισορροπία:

0,5 mol 0,5 mol x mol x mol (0,5-x) mol (0,5-x) mol

x mol x mol

[CO2] = 0,02 Μ ⇒ n = 0,02·5 = 0,1 ⇒ 0,5-x = 0,1 ⇒ x = 0,4 0,4 [CO][H2O] 0,4 v v = 16 i.

KC = = 0,1 0,1 [CO2 ][H2 ] v v

ii.

iii.

α = x/0,5 = 0,4/0,5 = 0,8 0,4 Δ[CO] ( 5 − 0)M υ= = = 0,02 M⋅s −1 Δt 4s

-105-

x mol x mol

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου 73.

Μια ποσότητα CuO αντιδρά πλήρως με την απαιτούμενη ποσότητα ΝΗ3 και σχηματίζονται 57,15 g Cu. α. Να συμπληρώσετε τα προϊόντα και τους συντελεστές της χημικής εξίσωσης: CuO + NH3 → β. Να υπολογίσετε τον όγκο του αερίου N2 που ελευθερώνεται σε stp συνθήκες. γ. Το αέριο Ν2 παραλαμβάνεται ποσοτικά και διοχετεύεται σε δοχείο όγκου 1 L, στο οποίο περιέχονται 0,2 mol Η2. Το μείγμα των αερίων αντιδρά σε κατάλληλες συνθήκες και σχηματίζει αμμωνία (ΝΗ3) σύμφωνα με την αντίδραση:

N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g)

Αν το δοχείο στην κατάσταση ισορροπίας περιέχει 0,1 mol ΝH3, να υπολογίσετε τη σταθερά Kc (τιμή - μονάδα) της ισορροπίας και την απόδοση της αντίδρασης. Δίνεται: Αr(Cu) = 63,5. Λύση α. 3 CuO + 2 NH3 → 3 Cu + N2 + 3 H2O β.

n = m/Mr = 57,15/63,5 = 0,9 mol Cu 3 CuO + 2 NH3 → 3 Cu + N2 + 3 H2O

3 mol 1 mol

0,9 mol x = 0,3 mol ή 0,3·22,4 = 6,72 L (stp)

γ.

Πίνακας μεταβολών: Ν2(g) + 3 Η2(g) ⇌ 2 ΝΗ3(g) αρχικά 0,3 mol 0,2 mol αντιδρούν - παράγονται x mol 3x mol 2x mol χημική ισορροπία 0,3-x mol 0,2-3x mol 2x mol

ΝΗ3: 2x = 0,1 ή x = 0,05

Kc =

Το Η2 είναι σε έλλειμμα επομένως ο συντελεστής απόδοσης είναι:

α = 3x/0,2 = 0,75 και η απόδοση είναι 75 %

2 (0,1 [NH3 ]2 1) = = 320 L2·mol–2 [N2 ][H2 ]3 ( 0,15)( 0,05)3 1 1

-106-

4η ενότητα - Χημική Ισορροπία 74.

Σε κλειστό και κενό δοχείο όγκου V = 10 L εισάγονται λ mol αερίου Ν2 και µ mol αερίου Η2 και αποκαθίσταται η χηµική ισορροπία: Ν2(g) + 3 Η2(g) ⇌ 2 ΝΗ3 (g) Στην κατάσταση της χημικής ισορροπίας οι συγκεντρώσεις του Η2(g) και της ΝΗ3(g) είναι [Η2] = 1 Μ και [ΝΗ3] = 1 Μ. Θεωρείται ότι καθ’ όλη τη διάρκεια της αντίδρασης η θερμοκρασία του συστήματος παραμένει σταθερή και ίση µε θ °C. Δίνεται η τιμή της σταθεράς της χημικής ισορροπίας στους θ °C, Κc = 2. Να υπολογίσετε: α. τις αρχικές ποσότητες λ και µ των mol αζώτου και υδρογόνου. β. την απόδοση της αντίδρασης. Λύση Πίνακας μεταβολών: Ν2(g) + 3 Η2(g) ⇌ 2 ΝΗ3(g) αρχικά λ mol μ mol αντιδρούν - παράγονται x mol 3x mol 2x mol χημική ισορροπία (λ-x) mol (μ-3x) mol 2x mol Στην ισορροπία: [ΝΗ3] = 1 Μ ⇒ n = C·V = 10 mol ή 2x = 10 ⇒ x = 5 mol

Kc =

α. β.

[H2] = 1 Μ ⇒ n = C·V = 10 mol ή μ-3x = 10 ⇒ μ = 25 mol

2 (10 [NH3 ] 10 ) ⇒ 2 = ⇒ λ = 10 10 )3 [N2 ][H2 ]3 ( λ−5 )( 10 10 2

Αρχικά mol: λ = 10 mol N2 και μ = 25 mol H2 Η αναλογία mol Ν2:Η2 από τη στοιχειομετρία είναι 1:3 Η αναλογία mol Ν2:Η2 από τις αρχικές ποσότητες είναι 10:25 επομένως το Η2 είναι σε έλλειμμα. Συντελεστής απόδοσης α = 3x/μ = 15/25 = 0,6 Η απόδοση είναι 60 %

-107-