درسنامه آموزشی شیمی (3) کلاس دوازدهم رشته ریاضی و تجربی

با توجه به معادله واکنش تعادلی تولید گاز آمونیاک و عبارت ثابت تعادل آن به پرسش‌ها پاسخ دهید.

${N_2}(g) + 3{H_2}(g) \rightleftharpoons 2N{H_3}(g)\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,K = \frac{{{{[N{H_3}]}^2}}}{{[{N_2}]{{[{H_2}]}^3}}}$

آ) توضیح دهید چگونه می‌توان از روی معادله یک واکنش، عبارت ثابت تعادل را برای آن نوشت؟

ب) جدول زیر غلظت تعادلی گونه‌ها را در دمای معینی برای این واکنش نشان می‌دهد. با محاسبه K، مشخص کنید میزان پیشرفت واکنش در این دما کم است یا زیاد؟ چرا؟

$K=\frac{{{[N{{H}_{3}}]}^{2}}}{[{{N}_{2}}]{{[{{H}_{2}}]}^{3}}}=\frac{{{(0/02)}^{2}}}{(0/4){{(0/5)}^{3}}}=8\times {{10}^{-3}}$

میزان پیشرفت واکنش کم است؛ زیرا کم بودن ثابت تعادل نشان می‌دهد که مقدار کمی از واکنش دهنده‌ها به فراورده‌ها تبدیل شده‌اند.

در محفظه‌ای به حجم یک لیتر، تعادل زیر در دمای $200{}^\circ C$ برقرار است.

${{N}_{2}}(g)+3{{H}_{2}}(g)\rightleftharpoons 2N{{H}_{3}}(g)$

شکل زیر افزودن مقداری نیتروژن را به این سامانه در دمای ثابت نشان می‌دهد. با توجه به شکل به پرسش‌ها پاسخ دهید.

1- جدول زیر را کامل کنید.

نحوهٔ محاسبهٔ اعداد جدول:

$\Rightarrow K=\frac{{{[N{{H}_{3}}]}^{2}}}{{{[{{H}_{2}}]}^{3}}[{{N}_{2}}]}=\frac{{{(0/14)}^{2}}}{{{(0/5)}^{3}}(0/07)}=2/24$ تعادل 1
$\Rightarrow K=\frac{{{[N{{H}_{3}}]}^{2}}}{{{[{{H}_{2}}]}^{3}}[{{N}_{2}}]}=\frac{{{(0/16)}^{2}}}{{{(0/47)}^{3}}(0/11)}=2/24$ تعادل 2

2- غلظت کدام مواد در تعادل (2) در مقایسه با تعادل (1) افزایش یافته است؟
غلظت $N{{H}_{3}}$ و ${{N}_{2}}$

3- با افزودن ${{N}_{2}}(g)$ به تعادل (1) واکنش در چه جهتی پیش رفته است تا به تعادل جدید برسد؟ چرا؟
در جهت پیشرفت پیش می‌رود؛ زیرا  ${{N}_{2}}$ واکنش‌دهنده است و طبق اصل لوشاتلیه با افزایش غلظت واکنش‌دهنده، تعادل برای مصرف آن باید در جهت واکنش رفت جابه‌جا شود.

4- $K$ در این آزمایش چه تغییری کرده است؟ از این ویژگی چه نتیجه‌ای می‌گیرید؟
$K$ ثابت مانده است، تغییر غلظت گونه‌های شرکت‌کننده در واکنش تعادلی تأثیری بر روی ثابت تعادل ندارد.

5- با خط زدن واژه نادرست در هر مورد، عبارت زیر را کامل کنید.
هنگامی که در دمای ثابت، غلظت یکی از مواد شرکت کننده در سامانه تعادلی (کاهش / افزایش) یابد، واکنش در جهت (تولید / مصرف) آن تا حد امکان پیش می‌رود تا به تعادل (آغازی / جدید) برسد.

واکنش تعادلی زیر در سامانه‌ای با حجم و دمای ثابت برقرار است. با هر یک از تغییرهای زیر تعادل در چه جهتی جابه‌جا می‌شود؟ چرا؟

${N_2}(g) + 3{H_2}(g){\stackrel{300{}^\circ C}{\rightleftharpoons}} 2N{H_3}(g)$

آ) خارج کردن مقداری گاز آمونیاک از سامانه
با خروج گاز $\leftarrow N{{H}_{3}}$ غلظت گاز آمونیاک کاهش می‌یابد. $\leftarrow$ طبق اصل لوشاتلیه واکنش در جهت تولید گاز $N{{H}_{3}}$ پیش می‌رود. $\leftarrow$ تعادل به سمت واکنش رفت جابه‌جا می‌شود. $[N{{H}_{3}}]\uparrow \leftarrow $

ب) وارد کردن مقداری گاز هیدروژن در سامانه
با ورود گاز $\leftarrow {{H}_{2}}$ غلظت گاز ${{H}_{2}}$ افزایش می‌یابد. $\leftarrow$ طبق اصل لوشاتلیه واکنش در جهت مصرف گاز ${{H}_{2}}$ پیش می‌رود. $\leftarrow$ تعادل به سمت واکنش رفت جابه‌جا می‌شود.

1- اگر در سامانه‌ای به شکل زیر، پیستون بیرون کشیده شود تا در دمای ثابت حجم آن افزایش یابد:

آ) پیش بینی کنید تعادل در کدام جهت جابه‌جا می‌شود؟ چرا؟
با بیرون کشیدن پیستون $\leftarrow$ حجم افزایش می‌یابد. $\leftarrow$ فشار کاهش پیدا می‌کند. $\leftarrow$ طبق اصل لوشاتلیه تعادل باید به سمت مول گازی بیشتر جابه‌جا شود. $\leftarrow$ تعادل به سمت واکنش برگشت پیش می‌رود.

ب) با این تغییر، شمار مول‌های آمونیاک چه تغییری می‌کند؟ تغییر نمی‌کند، شمار مول‌ها ثابت می‌ماند ولی غلظت آن کاهش می‌یابد.

2- با خط زدن واژه نادرست در هر مورد عبارت زیر را کامل کنید.
هنگامی که در دمای ثابت، فشار بر یک تعادل گازی (افزایش / کاهش) می‌یابد، واکنش در جهت شمار مول‌های گازی (کمتر / بیشتر) پیش می‌رود تا به تعادل (جدید / اولیه) برسد.

3- پیش‌بینی کنید در دمای ثابت با افزایش فشار بر سامانه تعادلی زیر:

${{H}_{2}}(g)+{{I}_{2}}(g)\rightleftharpoons 2HI(g)$

آ) شمار مول‌های هر یک از مواد شرکت کننده چه تغییری می‌کند؟ چرا؟
شمار مول‌های مواد شرکت کننده ثابت می‌ماند، زیرا شمار مول‌ها با ضریب استوکیومتری در ارتباط است و تغییر فشار تأثیری بر روی ضرایب موازنه (ضرایب استوکیومتری) ندارد.

ب) غلظت مولی هر یک از مواد شرکت کننده چه تغییری می‌کند؟ چرا؟
ثابت می‌ماند، چون تعداد مول‌های گازی در دو طرف معادلهٔ واکنش یکسان است، پس تغییر فشار تأثیری بر جابه‌جایی تعادل ندارد.

1- جدول داده شده اثر دما را بر ثابت تعادل زیر نشان می‌دهد. با توجه به آن به پرسش‌ها پاسخ دهید.

$2S{{O}_{3}}(g)\rightleftharpoons 2S{{O}_{2}}(g)+{{O}_{2}}(g)$

آ) عبارت ثابت تعادل را برای آن بنویسید.

$K=\frac{{{[S{{O}_{2}}]}^{2}}[{{O}_{2}}]}{{{[S{{O}_{3}}]}^{2}}}$

ب) میزان پیشرفت واکنش در کدام دما بیشتر است؟ چرا؟
دمای $435{}^\circ C$، زیرا $K$ تعادل بزرگ‌تر شده است، یعنی درصد بیشتری از مواد واکنش‌دهنده به فراورده تبدیل شده است.

پ) با افزایش دما $K$ چه تغییری کرده است؟ این تغییر، جابه جا شدن تعادل را در چه جهتی نشان می‌دهد؟
با افزایش دما $K$ بزرگ‌تر شده است، یعنی تعادل در جهت واکنش رفت جابه‌جا شده است.

ت) اگر برای این واکنش $\Delta H \gt 0$ باشد، جابه‌جا شدن تعادل و افزایش $K$ را به کمک اصل لوشاتلیه توجیه کنید.
با افزایش دما و بزرگ‌تر شدن $K$ متوجه می‌شویم که تعادل گرماگیر است.
طبق اصل لوشاتلیه $\leftarrow$ با افزایش دما $(T)$ واکنش به سمت مصرف گرما پیش می‌رود و تعادل به سمت واکنش گرماگیر جابه‌جا می‌شود، یعنی تعادل به سمت واکنش رفت پیش می‌رود.

2- با خط زدن واژه نادرست در هر مورد، عبارت زیر را کامل کنید.
هنگامی که دمای یک سامانه تعادلی افزایش می‌یابد، واکنش در جهت (مصرف / تولید) گرما پیش می‌رود، اگر این واکنش گرماگیر باشد مقدار (فراورده‌ها / واکنش دهنده‌ها) در سامانه کاهش می‌یابد.

3- نمودار زیر درصد مولی آمونیاک را برای سامانه تعادلی زیر در فشار ثابت نشان می‌دهد. باتوجه به آن به پرسش‌ها پاسخ دهید.

${{N}_{2}}(g)+3{{H}_{2}}(g)\rightleftharpoons 2N{{H}_{3}}(g)$

آ) با افزایش دما درصد مولی آمونیاک در سامانه چه تغییری می‌کند؟ کاهش می‌یابد.

ب) این واکنش گرماده است یا گرماگیر؟ چرا؟
واکنش گرماده است، زیرا با افزایش دما طبق اصل لوشاتلیه واکنش باید در جهت مصرف گرما (گرماگیر) پیش رود. با توجه به کاهش درصد مولی آمونیاک بر اثر افزایش دما متوجه می‌شویم که واکنش در جهت برگشت جابه‌جا شده است.

${{N}_{2}}(g)+3{{H}_{2}}(g)\rightleftharpoons 2N{{H}_{3}}(g)+q$

پ) مقدار ثابت تعادل آن در سه دمای 25، 200 و 400 درجه سلسیوس به صورت زیر است.

${K_1} = 6/2 \times {10^{ - 4}}\,\,\,,\,\,\,\,{K_2} = 0/65\,\,\,\,,\,\,\,\,{K_3} = 6/0 \times {10^5}$

کدام یک، ثابت تعادل را در دمای اتاق نشان می‌دهد؟ توضیح دهید.
${{K}_{1}}$، مطابق نمودار در دمای اتاق درصد مولی آمونیاک بسیار ناچیز است، پس واکنش پیشرفت کمی داشته و $K$ تعادل باید بسیار کوچک باشد.

با توجه به شکل زیر که نمایی از فناوری تولید آمونیاک به روش هابر را نشان می‌دهد به پرسش‌ها پاسخ دهید.

آ) در مورد روش کار هابر در این فناوری با یکدیگر گفت‌وگو کنید.
واکنش تهیه آمونیاک از گاز‌های نیتروژن و هیدروژن به دلیل داشتن انرژی فعال‌سازی بالا در دمای اتاق امکان پذیر نیست. از این رو هابر دریافت که باید برخلاف اصل لوشاتلیه دما را بالا ببرد که در این صورت بخشی از آمونیاک تولید شده تجزیه می‌شود. برای افزایش غلظت آمونیاک فشار را نیز بالا برد. از آنجایی که تأمین دما و فشار بالا برای این واکنش صرفهٔ اقتصادی ندارد هابر از کاتالیزگر $Fe(s)$ برای ایجاد شرایط بهینه استفاده کرد. با استفاده از کاتالیزگر این واکنش در دما و فشار پایین‌تر قابل انجام شد.
پس از تولید آمونیاک، برای افزایش درصد مولی آن، سرد کردن آمونیاک و خروج آن از سامانهٔ تعادل سبب پیشرفت واکنش در جهت رفت شده و آمونیاک بیشتری تولید می‌شود.

ب) اگر نقطه جوش آمونیاک، نیتروژن و هیدروژن به ترتیب 33- ،196- و 253- درجه سلسیوس باشد، کدام دما $-40{}^\circ C)$ یا $(-200$  را برای سرد کننده مناسب می‌دانید؟ توضیح دهید.
$-40{}^\circ C$، زیرا در این دما آمونیاک به مایع تبدیل شده و با خروج آمونیاک مایع از سامانهٔ تعادلی، طبق اصل لوشاتلیه واکنش باید در جهت تولید آمونیاک (واکنش رفت) پیش می‌رود.

2- نمودار زیر تغییر غلظت فراورده را برای واکنش تعادلی $A(g) + B(g) \rightleftharpoons AB(g)$ در دو شرایط متفاوت نشان می‌دهد.

آ) این واکنش گرماده است یا گرماگیر؟ چرا؟

ب) فشار ${P_2}$ از ${P_1}$ بزرگتر است یا کوچکتر؟ پاسخ خود را توضیح دهید.