Номер 8, страница 196 - гдз по химии 11 класс учебник Мычко, Прохоревич

8. Вторая стадия производства серной кислоты из пирита — окисление оксида серы(IV) в оксид серы(VI) основана на обратимой каталитической реакции:

$2SO_{2(\text{г})} + O_{2(\text{г})} \rightleftharpoons 2SO_{3(\text{г})} + Q.$

В условиях производства SO₃ является газом. Укажите условия смещения равновесия в сторону продукта реакции.

Для определения условий, смещающих химическое равновесие в сторону продуктов реакции, необходимо применить принцип Ле Шателье. Согласно этому принципу, если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, оказывается внешнее воздействие (изменение температуры, давления, концентрации), то равновесие смещается в том направлении, которое ослабляет это воздействие.

Рассмотрим заданную обратимую каталитическую реакцию:

$2SO_{2(г)} + O_{2(г)} \rightleftharpoons 2SO_{3(г)} + Q$

Чтобы сместить равновесие вправо, в сторону образования продукта ($SO_3$), необходимо проанализировать влияние каждого из возможных факторов.

Влияние температуры

Прямая реакция ($2SO_2 + O_2 \rightarrow 2SO_3$) является экзотермической, так как она протекает с выделением теплоты ($+Q$). Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону экзотермической реакции необходимо понижать температуру системы. Таким образом, охлаждение будет способствовать увеличению выхода оксида серы(VI). Однако на практике слишком сильное понижение температуры значительно снижает скорость реакции, делая процесс неэффективным. Поэтому в промышленности выбирают оптимальную температуру (около 450 °C), которая обеспечивает приемлемую и скорость реакции, и степень превращения реагентов.

Ответ: для смещения равновесия в сторону продукта реакции необходимо понижать температуру.

Влияние давления

Проанализируем изменение количества молей газообразных веществ. В левой части уравнения (реагенты) находится $2$ моль $SO_2$ и $1$ моль $O_2$, что в сумме составляет $3$ моль газа. В правой части уравнения (продукт) находится $2$ моль $SO_3$. Прямая реакция идёт с уменьшением числа молей газа (с $3$ до $2$), а следовательно, с уменьшением объёма. Согласно принципу Ле Шателье, повышение давления в системе смещает равновесие в сторону реакции, ведущей к уменьшению объёма. Следовательно, увеличение давления сместит равновесие вправо, в сторону образования $SO_3$.

Ответ: для смещения равновесия в сторону продукта реакции необходимо повышать давление.

Влияние концентрации

Согласно принципу Ле Шателье, увеличение концентрации исходных веществ (реагентов) смещает равновесие в сторону продуктов, а удаление продуктов из зоны реакции также смещает равновесие вправо. Следовательно, для увеличения выхода $SO_3$ необходимо увеличивать концентрации $SO_2$ и $O_2$ и/или постоянно отводить образующийся $SO_3$ из реакционной смеси. На практике этого достигают, используя избыток одного из реагентов, как правило, более дешевого и доступного кислорода (в составе воздуха).

Ответ: для смещения равновесия в сторону продукта реакции необходимо увеличивать концентрацию реагентов ($SO_2$ и $O_2$) и/или уменьшать концентрацию продукта ($SO_3$).

Роль катализатора

Реакция является каталитической. Катализатор (например, оксид ванадия(V) $V_2O_5$) не влияет на положение химического равновесия, то есть не смещает его ни в одну из сторон. Его роль заключается в увеличении скорости как прямой, так и обратной реакций, что позволяет системе гораздо быстрее достигать состояния равновесия. Это имеет решающее значение для экономической эффективности производства.

Ответ: катализатор не смещает равновесие, но необходим для увеличения скорости реакции.