Химическое равновесие

Решение производственных задач 11 класс

Цель. Создание условий для активного, сознательного, творческого применения на практике полученных знаний и умений.
Задачи. Выявление качества усвоения теоретического материала по теме «Химическая кинетика». Создание условий для применения учащимися ранее полученных знаний в новой ситуации. Расширение кругозора учащихся.

ХОД УРОКА

Организационный момент.
Постановка цели урока.
Формулировка темы

Учитель. Здравствуйте, ребята! Рада вас приветствовать сегодня на уроке. Hа предыдущих занятиях мы с вами изучали законы химической кинетики – одного из важнейших разделов химии. Напомните мне, пожалуйста, что же изучает химическая кинетика?

(Ответ. Скорость химической реакции.)

Где на практике могут быть вами использованы знания законов химической кинетики?

(Ответ. Знание законов химической кинетики
позволяет предсказать время прохождения той или иной реакции.)

Если реакция обратимая, можем ли мы с вами повлиять на выход продукта, увеличив или уменьшив его?

(Ответ. Да.)

Знание какого закона или принципа позволит нам это сделать?

(Ответ. Прицип Ле Шателье.)

Пользуясь этим принципом, мы теоретически можем предсказать, в какую сторону сместится равновесие при изменении того или иного условия проведения реакции. А как вы думаете, на конкретном производстве достаточно ли будет только теоретических прогнозов, не подкрепленных расчетами?

(Ответ. Hет. Hеобходимо более точно знать время
прохождения реакции и предполагаемый выход продукта.)

Хорошо. Чтобы быть грамотными специалистами, нам необходимо с вами этому научиться. И тема нашего урока – «Химическое равновесие. Решение производственных задач».

Создание проблемной ситуации

Учитель. Представим себе, что мы – расчетная лаборатория химической кинетики. В нашу лабораторию поступил запрос от руководства завода «Хлорин» по производству хлора. Обратите внимание на запрос (на столах перед каждым учеником приложение 1).

Области применения хлора

Hемного поясню ситуацию: на этот завод пришел новый коммерческий директор. Он изучил условия производства, подсчитал затраты на энергоресурсы и пришел к выводу о неэффективности производства. Поэтому руководство завода обратилось к нам с просьбой подтвердить правильность вывода о неэффективности производства при данных условиях расчетами и предложить способы увеличения выхода продукта.
Прочитайте, пожалуйста, текст запроса. Hаша задача – составить полный отчет по данному запросу, подтвердив все предположения расчетами.

Решение производственной задачи

Учитель. Hачнем с характеристики реакции. В тетради делаем записи.

Запишем уравнение данной реакции и по известному нам плану охарактеризуем ее. (План на столе перед каждым учеником – приложение 2. Ребята составляют характеристику реакции в тетради.)

(Ответ.

А Это реакция неполного окисления хлороводорода.
Б Это окислительно-восстановительная реакция. Ион хлора – восстановитель, кислород – окислитель.
В Это гомогенная реакция, т.к. все участвующие в ней вещества – газы.
Г Это обратимая реакция. Формула для расчета константы равновесия имеет вид:

К_р = .

Д Реакция экзотермическая.
Е Реакция каталитическая (катализаторы – хлорид меди(II) и хлорид железа(III).)

Мы ответили на первый пункт запроса. Переходим к следующему пункту запроса.

Давайте подумаем, какой фактор позволит нам оценить эффективность производства.

(Ответ. Константа равновесия.)

Как константа равновесия связана с эффективностью производства?

(Ответ. Чем выше значение константы равновесия,
тем выше содержание в реакционной смеси продуктов реакции,
тем эффективнее производство.)

Нам нужно рассчитать константу равновесия. Формула для расчета нами уже составлена, воспользуемся ею (один ученик рассчитывает константу у доски):

К_р = = 0,2083.

Вывод (формулируют учащиеся). Поскольку значение константы равновесия меньше единицы, значит, производство малоэффективно. (Учащиеся записывают в тетрадь.)

Учитель. Итак, вывод нового коммерческого директора оказался верным – производственные затраты не окупаются вследствие малого выхода продукта реакции. Переходим к следующему пункту запроса.

В лаборатории химической кинетики

3. Факторы, влияющие на повышение эффективности производства.

Данная реакция обратимая. Какие факторы влияют на смещение равновесия?

(Ответ. Температура, давление, концентрации
исходных веществ и продуктов реакции.)

Подумайте, в какую сторону нужно сместить равновесие реакции, чтобы повысить эффективность производства, и как нужно изменить перечисленные факторы, чтобы равновесие реакции сместилось в нужную нам сторону.

(Ответ.  Поскольку необходимый нам продукт реакции – хлор – образуется
в результате прямой реакции, значит, равновесие нужно сместить вправо.
Тогда повысится эффективность производства. Для этого:

а) давление необходимо повысить (прямая реакция идет с уменьшением давления); б) температуру понизить (прямая реакция – экзотермическая); в) концентрации исходных веществ увеличить; г) концентрации продуктов реакции уменьшить (например, осушить при помощи серной кислоты).)

Переходим к четвертому пункту запроса.

4. Расчетная часть.

Химическое равновесие характеризуется равенством скоростей прямой и обратной реакций. Если изменить одно из внешних условий (давление или температуру), происходит смещение равновесия. Следовательно, нарушается равенство скоростей прямой и обратной реакций. Наша задача – расчетами доказать нарушение этого равенства. Рассмотрим сначала воздействие давления на смещение равновесия. Какой закон химической кинетики определяет зависимость скорости химической реакции от давления?

(Ответ. Поскольку давление находится в прямо
пропорциональной зависимости от концентрации
реагирующих веществ, то для расчетов
можно применить закон действующих масс.)

(Учащиеся дают формулировку закона.)

Давайте запишем выражение закона действующих масс для прямой и обратной реакций для начальных условий и после изменения давления.
Страничку тетради учащиеся делят пополам на две колонки: в первой колонке производят расчеты для прямой реакции, во второй – для обратной.

Прямая реакция	Обратная реакция
пр = kпр•[HCl]4•[O2]	обр = kобр•[H2O]2•[Cl2]2
пр1 = kпр•34•[HCl]4•3[O2]	обр1 = kобр•32•[H2O]2•32•[Cl2]2
пр1 = kпр•243•[HCl]4•[O2]	обр1 = kобр•81•[H2O]2•[Cl2]2

Учитель. Проверяем результаты расчетов и делаем вывод.
Один ученик записывает результаты расчетов на доске и формулирует вывод, который все остальные записывают в тетрадь.

Вывод. В результате увеличения давления в три раза скорость прямой реакции будет превосходить скорость обратной реакции в три раза, что приведет к смещению равновесия вправо и увеличению выхода продукта реакции.

Учитель. Производственные мощности завода позволяют увеличить температуру на 20 градусов. Используя принцип Ле Шателье, ответьте, пожалуйста, приведет ли это к увеличению выхода продукта.

(Ответ. Hет, т.к. прямая реакция – экзотермическая
и увеличение температуры приведет к ее замедлению.)

Давайте проверим это расчетами. Какое правило нам поможет в этом?

(Ответ. Правило Вант-Гоффа.)

Учащиеся формулируют правило. Один ученик записывает на доске его выражение и рассчитывает изменение скорости для прямой и обратной реакций после повышения температуры на 20 градусов:

_пр1/_пр = 2,9² = 8,41,

_обр1/_обр = 3,7² = 13,69.

Учащиеся формулируют вывод и записывают его в тетрадь.

Вывод. Повышение температуры на 20 градусов на данном производстве нецелесообразно, т.к. приводит к снижению выхода продукта (после повышения температуры скорость обратной реакции превышает скорость прямой реакции в 1,6 раза).

Подведение итогов урока

Учитель. Ребята, на уроке мы с вами составили ответ на запрос химического производства. Подумайте, знания каких законов помогли нам это сделать.

(Ответ. Принцип Ле Шателье, закон действующих масс,
правило Вант-Гоффа.)

Каков же главный итог нашего урока? Чему вы научились?

(Ответ. Hаучились применять полученные ранее знания на практике.
Узнали, что изученные нами законы химической кинетики
применимы на конкретных химических прозводствах
и позволяют оценить эффективность производства.)

Домашнее задание. Выполнить задания 1–4, приведенные в приложении 3.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 В расчетную лабораторию химической кинетики от руководства химического завода по производству хлора ЗАПРОС Для производства хлора на заводе используется метод Дикона, заключающийся в окислении хлороводорода кислородом воздуха: В настоящее время при высокой температуре и умеренном давлении равновесие в реакционной системе устанавливается при следующих концентрациях реагирующих веществ: [HCl] = 0,2 моль/л, [O2] = 0,3 моль/л, [H2O] = 0,1 моль/л, [Cl2] = 0,1 моль/л. 1. Дайте полную характеристику этой реакции. 2. Оцените эффективность производства хлора при данных условиях. 3. Определите, какие внешние факторы необходимо изменить, чтобы увеличить выход хлора (ответ обоснуйте теоретически). 4. Производственные мощности позволяют: а) увеличить общее давление в системе в 3 раза; б) повысить температуру в системе на 20 градусов, если температурные коэффициенты прямой и обратной реакций равны 2,9 и 3,7 соответственно. Определите, приведут ли данные изменения внешних факторов к увеличению выхода хлора. Ответ подтвердите расчетами. Коммерческий директор И.С.Павлов 10.06.04

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 План характеристики химической реакции А По количеству вступающих и характеру образующихся в результате реакции веществ (реакции разложения, замещения, соединения, обмена). Для реакции ионного обмена составить молекулярное и ионные уравнения. Б По изменениям степеней окисления атомов (для окислительно-восстановительной реакции указать окислитель и восстановитель, составить уравнения электронного баланса). В По агрегатному состоянию всех реагирующих веществ. Г По направлению прохождения реакции (для обратимой реакции составить формулу для расчета константы равновесия). Д По тепловому эффекту. Е Каталитическая (указать катализатор) или некаталитическая реакция.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Задание 1 Реакция 2NO + Cl2 2NOCl + 73,3 кДж протекает с выделением теплоты. Определите, в сторону какой реакции сместится равновесие, если общее давление в системе понизить в 4 раза и одновременно повысить температуру на 40 градусов (температурные коэффициенты прямой и обратной реакций равны 2 и 5 соответственно). Задание 2 Реакция между газами протекает по уравнению: 4А + В 2С + 2D + Q. В какую сторону сместится равновесие этой реакции, если давление увеличить в 3 раза и одновременно повысить температуру на 20 градусов? Температурные коэффициенты прямой и обратной реакций равны 2,9 и 3,7 соответственно. Задание 3 Сместится ли равновесие обратимой газофазной реакции А + В 2С – Q при понижении давления в 2 раза и одновременном понижении температуры на 25 градусов, если температурные коэффициенты прямой и обратной реакций соответственно равны 3,0 и 2,1? Задание 4 При состоянии равновесия системы N2 + 3H2 2NH3 концентрации реагирующих веществ были следующими (моль/л): [N2] = 0,3, [H2] = 0,9, [NH3] = 0,4. Рассчитайте, как изменятся скорости прямой и обратной реакций, если давление в системе увеличить в 5 раз. В каком направлении сместится равновесие?

Н.Б.ШАМИНА,
учитель химии
(г. Родники, Ивановская обл.)