Как решать задание 23 в ЕГЭ по химии на расчет концентраций в равновесной системе: полное руководство.

По этой ссылке вы можете найти тренажер с 20 вариантами этого задания, на котором можно хорошо потренироваться.

Содержание

Случай 1. Реакция протекает в прямом направлении.
Случай 2. Реакция протекает в обратном направлении.
Случай 3. Коэффициенты перед реагентами не равны.
Случай 4. В обратимой реакции участвуют более трех реагентов.

Не так давно в ЕГЭ по химии появилось новое задание на равновесные процессы. Раньше такое задание было только одно: требовалось определить, как то или иное внешнее воздействие влияет на положение равновесия. То есть нужно было указать один из трех вариантов в ответе: равновесие смещается вправо, влево или его положение остается неизменным. В новом задании пошли чуть дальше, теперь требуется найти значение исходной или равновесной концентрации веществ, участвующих в равновесном химическом процессе. Можно с уверенностью сказать, что это задание очень простое. Достаточно просто выучить алгоритм решения и далее его применять. В этом материале мы разберем основные типы этого задания, и вы увидите, что алгоритм всегда будет одним и тем же. 

В этом задании всегда дается обратимая реакция, иначе нельзя будет говорить о равновесии. Рассмотрим первый самый простой случай.

Случай 1. Реакция протекает в прямом направлении.

Задача 1.

В реактор постоянного объема поместили оксид углерода (II) и хлор. При этом исходная концентрация оксида углерода (II) составляла 1 моль/л, а исходная концентрация хлора 0,8 моль/л. В результате протекания обратимой химической реакции

CO(г) + Cl₂(г) ⇆ COCl₂(г)

в реакционной системе установилось химическое равновесие, а равновесная концентрация хлора составила 0,6 моль/л. Определите равновесные концентрации СО и СОCl₂.

Итак, реагирует СО с Cl₂ с образованием фосгена COCl₂. Обратимая реакция описывается уравнением, которое обязательно дается в условии. Пояснения в скобках после формул веществ указывают на то, что все они находятся в газообразном состоянии. Далее в условии всегда дается информация о концентрациях части веществ, а качестве задания требуется найти некоторые другие неизвестные концентрации. Как понять это условие? Прежде всего нам реактор постоянного объема. Это означает, что концентрации газов не могут измениться за счет расширения объема, потому что размер реактора фиксирован. Концентрация может измениться только по причине протекания реакции. Теперь нужно увидеть, что представляет собой наша система в начальный момент времени. Именно к этому моменту времени, когда реакция еще не прошла, и относится термин «исходная концентрация». В начальный момент у нас в реакторе есть только 1 моль/л СО и 0,8 моль/л Cl₂, а поскольку фосгена COCl₂ еще нет (напомним, что реакция еще не прошла), то его исходная концентрация равна 0 моль/л. После этого протекает реакция. Здесь случай простой, реакция протекает в прямом направлении, то есть концентрации СО и Cl₂ уменьшаются за счет того, что эти вещества вступают в реакцию и, следовательно, расходуются. А фосген тогда образуется, и его концентрация растет с 0 моль/л до какой-то величины. Здесь очевидно прямое направление реакции, потому что фосген с нулевой концентрацией не может превратиться по обратной реакции в СО и Cl₂, поскольку его просто нет. Но вообще нужно иметь в виду, что суть этой задачи в том и состоит, чтобы определить направление реакции. Если реакция протекает в прямом направлении, то концентрации исходных веществ падают по мере приближения к равновесию, а концентрации продуктов растут. Если реакция протекает в обратном направлении, то все наоборот. В первой задаче случай простой, тем не менее для удобства можно составить вот такую таблицу. 

В эту таблицу мы вносим информацию об исходных и равновесных концентрациях веществ, которые даны в условии, и ставим знаки вопроса там, где концентрации нужно найти. Ключ к решению – это нахождение вещества, для которого одновременно известны и исходная, и равновесная концентрации. В нашем случае это Cl₂. Поскольку концентрация хлора упала, значит, он расходовался в реакции. Потеря его концентрации за счет реакции составила 0,8 – 0,6 = 0,2 моль/л. То есть на реакцию ушло 0,2 моль/л. Поскольку коэффициенты перед CO и Cl₂ в уравнении реакции равны, то число моль вступившего в реакцию СО равно числу моль вступившего в реакцию Cl₂. Значит, концентрация СО в ходе реакции упала с исходной 1 моль/л на 0,2 моль/л, которые израсходовались в реакции, и стала равна 0,8 моль/л. Это будет первый ответ. Далее опять же по коэффициентам в уравнении реакции можно сказать, что COCl₂ образовалось столько же, сколько потратилось СО или Cl₂, то есть 0,2 моль/л, ведь коэффициенты равны. Значит, концентрация COCl₂ выросла с 0 моль/л на 0,2 моль/л и стала равна 0,2 моль/л. Это второй ответ.

Случай 2. Реакция протекает в обратном направлении.

Теперь можно рассмотреть случай, когда реакция протекает в обратном направлении. Но это сначала нужно установить по данным условия.

Задача 2.

В реактор постоянного объема поместили сульфурилхлорид SO₂Cl₂ и Cl₂. При этом исходная концентрация SO₂Cl₂ составила 1,2 моль/л. В результате протекания обратимой химической реакции

SO₂(г) + Cl₂(г) ⇆ SO₂Cl₂(г)

в реакционной системе установилось химическое равновесие, а равновесные концентрации SO₂ и Cl₂ составили 0,3 моль/л и 0,9 моль/л. Определите исходную концентрацию Cl₂ и равновесную концентрацию SO₂Cl₂. 

Если в реактор поместили только SO₂Cl₂ и Cl₂, значит, SO₂ в реактор не вносили и тогда исходная концентрация SO₂ равна 0 моль/л. Снова было бы очень удобно составить таблицу.

Для SO₂ известны и исходная, и равновесная концентрации, поэтому отталкиваться надо от него. Концентрация SO₂ в результате реакции выросла, значит, он в этой реакции образовывался. Образоваться он может только по обратной реакции превращения SO₂Cl₂ в SO₂ и Cl₂. Если SO₂ образовывался, значит, так же образовывался Cl₂, а SO₂Cl₂ расходовался. То есть равновесные концентрации SO₂ и Cl₂ растут, а равновесная концентрация SO₂Cl₂ падает по сравнению с исходными. Все коэффициенты перед реагентами в уравнении реакции равны 1, поэтому рост концентрации SO₂ на 0,3 моль/л влечет такое же увеличение концентрации Cl₂ и такое же уменьшение концентрации SO₂Cl₂. Если равновесная концентрация Cl₂ стала равна 0,9 моль/л, значит, исходная была больше на 0,3 моль/л и равна 1,2 моль/л. Это первый ответ. А равновесная концентрация SO₂Cl₂ должна понизиться на 0,3 моль/л по сравнению с исходной и составить 1,2 – 0,3 = 0,9 моль/л. Это второй ответ.

Случай 3. Коэффициенты перед реагентами не равны.

Далеко не все реакции протекают в мольном соотношении 1:1. Есть множество обратимых реакций, где коэффициенты перед реагентами могут быть другими. Рассмотрим пример задачи 3, где это так.

Задача 3.

В реактор постоянного объема поместили водород и азот. При этом исходные концентрации азота и водорода составили 1,8 моль/л и 1,2 моль/л, соответственно. В результате протекания обратимой химической реакции

N₂(г) + 3H₂(г) ⇆ 2NH₃(г)

в реакционной системе установилось химическое равновесие, а равновесная концентрация водорода составила 0,9 моль/л. Определите равновесные концентрации азота и аммиака. 

Снова можно составить таблицу. 

В реактор поместили водород и азот, значит, аммиака в реакторе не было и его исходная концентрация равна 0 моль/л. Алгоритм тот же: ищем реагент, для которого известны и исходная, и равновесная концентрация. Это водород. Его концентрация уменьшается, значит, он расходуется и реакция протекает в прямом направлении. Аммиак при этом образуется. Значит, равновесные концентрации для азота и водорода падают, а для аммиака растут по сравнению с исходными. Однако в этой реакции коэффициенты у всех веществ разные, и это нужно учитывать при расчетах. Для удобства эти коэффициенты можно отразить в самой таблице, поставив их перед формулами реагентов, что мы и сделали. Глядя на уравнение реакции, можно заключить, что с 3 моль водорода реагирует 1 моль азота. То есть азота в мольном отношении нужно в три раза меньше, чем водорода. Тогда если концентрация водорода упала на 1,2 – 0,9 = 0,3 моль/л, то концентрация азота должна упасть на величину, которая в три раза меньше, то есть на 0,1 моль/л. В итоге равновесная концентрация азота составит: 1,8 – 0,1 = 1,7 моль/л. Это первый ответ. Далее также из уравнения следует, что из 3 моль водорода получается 2 моль аммиака. Это значит, что падение концентрации водорода на 0,3 моль/л вызовет рост концентрации аммиака на 2/3 ∙ 0,3 моль/л, то есть на 0,2 моль/л. И тогда равновесная концентрация аммиака как раз составит 0,2 моль/л, потому что исходная его концентрация была равна 0 моль/л. Это будет второй ответ.

Случай 4. В обратимой реакции участвуют более трех реагентов.

Чаще всего в этом задании даются обратимые реакции с тремя участниками типа A + B ⇆ C или A ⇆ B + C, но иногда возможны и четыре участника. Рассмотрим такой случай на примере задачи 4.

Задача 4. 

В реактор постоянного объема поместили H₂ и CO₂. При этом исходная концентрация водорода составила 1,0 моль/л. В результате протекания обратимой химической реакции

СО₂(г) + H₂(г) ⇆ CO(г) + H₂O(г)

в реакционной системе установилось химическое равновесие, а равновесные концентрации CO и СО₂ составили 0,2 моль/л и 0,4 моль/л. Определите исходную концентрацию СО2 и равновесную концентрацию Н₂.  

Составим таблицу, только теперь поместим в нее информацию не о трех, а о четырех реагентах. 

В начальный момент времени в реактор поместили только H₂ и CO₂, значит, в реакторе не было СО и H₂O. Тогда их исходная концентрация равна 0 моль/л. Поскольку мы знаем из условия равновесную концентрацию СО, то для этого реагента у нас есть пара значений исходная/равновесная концентраций. Концентрация СО выросла после протекания реакции на 0,2 моль/л, значит, он в реакции образовывался. Тогда так же образовывалась вода, а СО₂ и Н₂ расходовались. Здесь коэффициенты перед реагентами в уравнении все одинаковы и равны 1, поэтому расчеты упрощаются. Если равновесная концентрация СО₂ была равна 0,4 моль/л и он в реакции расходовался, значит, исходная концентрация будет выше на 0,2 моль/л, поскольку по коэффициентам из 1 моль СО₂ образуется 1 моль СО. То есть рост концентрации СО на 0,2 моль/л вызовет падение концентрации СО₂ на те же 0,2 моль/л. В итоге исходная концентрация СО₂ составит 0,4 + 0,2 = 0,6 моль/л. Это первый ответ. Далее Н₂ в реакции тоже расходуется, значит, равновесная концентрация будет ниже исходной на 0,2 моль/л – снова потому, что коэффициенты перед Н₂ и СО равны. Тогда равновесная концентрация Н₂ составит 1,0 – 0,2 = 0,8 моль/л. Это второй ответ. Фактически в алгоритме решения задачи с четырьмя участниками ничего не изменилось. Может смутить только то, что информация о концентрации воды здесь оказывается «балластом», то есть мы ее никак не используем. Но так тоже бывает. 

В заключении нужно отметить следующее. Это задание на расчет концентрации никак не связано с химическим строением соединений, химическими свойствами и так далее. Задание чисто математическое. Нужно только понять направление реакции, чтобы знать какие реагенты расходуются, а какие образуются, и далее использовать коэффициенты в уравнении. Поэтому реагенты в реакциях могут быть самыми редкими и необычными, которые даже не изучаются в школе, вроде NF₃, SOCl₂, SF₆ и так далее. То, что химическая формула не имеет совершенно никакого значения, можно увидеть и в том, что иногда задание формулируется в схематичном виде. Например, дается обратимый процесс не с конкретными соединениями, а условными в виде: A + 2B ⇆ 3C. Поэтому бояться необычных формул не нужно. Повторим, что в этом задании нет необходимости знать химические свойства веществ, а уравнение реакции всегда дается в условии.