Влияние температуры и концентраций на химическое равновесие

В этой части практикума опыты качественные, без расчётов.

11.2.1. Влияние температуры

Предлагается запаянный двухколенный стеклянный сосуд, заполненный оксидом азота (4+). Мономерная форма – NO₂ – содержит неспаренный электрон. Отсюда две особенности этой молекулы: (а) под действием света этот электрон легко возбуждается с несвязывающей МО на разрыхляющую, часть белого спектра поглощается, возникает окраска; (б) неспаренный электрон – это неиспользованная валентность, поэтому NO₂ способен к димеризации:

2 NO_{2 ←} ^→ N₂O₄

Поскольку при этом возникает новая связь, такая реакция однозначно экзотермическая. Но связь N-N непрочная, и при нагревании она легко разрывается, т.е. реакция может идти и справа налево. При образовании связи неспаренные электроны спариваются на связывающей МО, их энергия понижается, и для возбуждения уже недостаточно энергии видимого света, поэтому димер (N₂O₄) бесцветен.

Погрузите одно колено сосуда в ледяную воду, а другое – в горячую. Какое изменение цвета ожидается при отсутствии химической реакции (когда количества веществ не меняются)? Давление в сообщающихся сосудах одинаковое, значит, по уравнению состояния идеального газа концентрация обратно пропорциональна абсолютной температуре: С = р/(RT). Где ожидается более интенсивная окраска согласно этому уравнению и где она наблюдается реально? Можно ли объяснить наблюдаемое без учёта химической реакции? Чтобы убедиться в обратимости процесса, поменяйте колена сосуда местами.

Следует также вспомнить равновесия жидкость – пар, возгонку хлорида аммония и сделать общий вывод: куда смещается равновесие при повышении и понижении температуры. Используйте общую формулировку, основанную на тепловом эффекте, а не выражения «вправо», «влево», «прямая», «обратная», которые зависят от способа записи уравнения.

11.2.2. Влияние концентрации реагентов и продуктов и общего разбавления

Предлагается рассмотреть процесс гидролиза хлорида сурьмы (3+) в водном растворе. SbCl₃ хорошо растворяется в воде, но сильно гидролизуется с выпадением осадка оксохлорида SbOCl. Для подавления гидролиза вводят его продукт – сильную кислоту. Именно такой раствор, с добавкой соляной кислоты, будет Вам предложен. Процесс гидролиза в нём можно пытаться изобразить разными способами:

(а) Предполагая, что хлорид сурьмы – сильный электролит, и сурьма находится преимущественно в виде гидратированных катионов [Sb(OH₂)_x]³⁺. Количество воды, присоединённой к катиону (х), никак не влияет на равновесие, поэтому для простоты не будем его записывать (хотя помнить о гидратации надо).

Sb³⁺ + H₂O + Cl^– _← ^→ SbOCl↓ + 2H⁺.

(б) Предполагая, что катион сурьмы довольно прочно связывается с хлорид–ионом и существует в растворе преимущественно в виде хлорокомплексов с некоторым количеством ионов хлорида q:

SbCl_q^3–q + H₂O _← ^→ SbOCl↓ + (q–1)Cl^– + 2H⁺.

Заметим, что уравнение (а) является частным случаем уравнения (б) при q=0, и задача работы – оценить величину q: равна ли она нулю или существенно больше.

На основе ЗДМ предскажите, как повлияют на равновесие (на выпадение осадка) различные воздействия в зависимости от величины q:

Разбавьте раствор водой до появления помутнения. Взболтайте его и разделите взвесь на две пробирки. Чтобы увеличить концентрацию ионов водорода, не меняя существенно остальные концентрации, осторожно добавьте в одну из них несколько капель концентрированной серной кислоты. Чтобы увеличить концентрацию ионов хлорида, не меняя существенно остальные концентрации, добавьте в другую пробирку хорошо растворимый кристаллический хлорид (NaCl или KCl) и осторожно встряхните для его растворения.

Наблюдайте результаты, занесите их в последнюю колонку таблицы и сделайте вывод: какое из уравнений правильнее описывает наблюдаемые явления. Точнее говоря, какие выводы о величине q можно сделать из опытов: связывается ли катион сурьмы с хлорид-ионом в водном растворе?

12. Введение в химическую термодинамику.

Основы термохимии [1, § 54-56; 2, § 6.1.1-6.1.5]