Изучение химического равновесия и принципа Ле Шателье в 9 классе с использованием компьютера

Если изменить одно из условий, при которых данная система находится в состоянии равновесия (температуру, давление или концентрацию веществ), то равновесие сместится в направлении, которое препятствует этому изменению. Этот закон смещения химического равновесия вывел французский химик Анри Ле Шателье в 1885 году. Химикам он известен под названием: принцип Ле Шателье (демонстрирует портрет).

В принципе Ле Шателье  ничего не сказано про катализатор?

Давайте вместе рассмотрим влияние катализатора. Посмотрите на схему.

Итак, катализатор  не смещает химическое равновесие, а способствует его наступлению, ускоряя цикл химических превращений. Значит наше предположение было неверно.

Чтобы проверить  остальные наши предположения и  на практике применить принцип Ле Шателье мы разделимся на 4 группы. Каждая из 3 групп будет изучать влияние одного из факторов. В распоряжении группы учебная литература, химические реактивы и “виртуальная лаборатория”. Задание для группы общее, а вот работу внутри группы, я думаю, вы распределите сами. 4-ая группа получает особое задание. На выполнение работы 5-7 минут и 2-3 минуты на выступление спикеров групп.

Влияние изменения температуры:

При повышении  температуры равновесие смещается  в сторону эндотермической реакции, при понижении температуры равновесие смещается в сторону экзотермической реакции.

Влияние изменения концентрации:

При увеличении концентрации реагирующих веществ  равновесие смещается в сторону  их расходования.

Gри увеличении  концентрации продуктов реакции  равновесие смещается в сторону  их расходования.

Выдвижение гипотез:

• нужно изменить условия, влияющие на скорость химической реакции, т.е.
1. температуру
2. концентрацию веществ
3. давление
4. использовать катализатор

Влияние изменения давления:

При увеличении давления равновесие смещается в  сторону меньшего объема, при уменьшении объема равновесие смещается в сторону большего объема.

Выступление спикера 4-ой группы.

Дать полную характеристику реакции синтеза  аммиака. Назвать условия смещения равновесия в сторону образования  аммиака.

Умение смещать  равновесие очень важно для химических производств. Это увеличивает долю выхода продукта реакции и повышает рентабельность производства.

Но иногда оказывается  не менее важным умение сохранять  равновесие. Рассмотрим схему круговорота  кислорода в природе. Мы наблюдаем  равновесие между процессами дыхания, горения и фотосинтеза. Если равновесие будет нарушено, это приведет к катастрофическим последствиям для всего живого.

Домашнее задание: ответить письменно на вопрос: какие  равновесные процессы в природе  уже нарушены и какие меры необходимо предпринять для восстановления равновесия.

Итак, давайте  подведем итог сегодняшнего урока. Мы изучили явление химического  равновесия и условия его смещения, научились находить равновесные  процессы в окружающей нас природе. И самое главное, поняв всю  ценность этих знаний, вы сможете использовать их во благо.

А мне остается пожелать вам душевного равновесия.

Работа в группах.

Выступление спикеров. 

Задание для 1 группы.

Влияние изменения температуры.

1). При помощи  компьютерной программы “Виртуальная  лаборатория” смоделируйте химическую реакцию 

Что вы наблюдаете при нагревании? В какую сторону  смещается равновесие?

Что вы наблюдаете при охлаждении? В какую сторону  смещается равновесие?

Сформулируйте вывод.

2). Выполните  лабораторный опыт по инструкции.

В пробирку с крахмальным клейстером добавьте 2-3 капли раствора иода.

Что вы наблюдаете?

Нагрейте пробирку.

Что вы наблюдаете?

Охладите пробирку.

Что вы наблюдаете? 

(C₆H₁₀O₅)n + mJ₂ = + Q

крахмал

синий цвет 

Сформулируйте вывод.

3). Прочитайте  раздел “Влияние изменения температуры” параграфа “Химическое равновесие”. Ответьте на вопросы:

В какую сторону  смещается химическое равновесие при  нагревании?

В какую сторону  смещается химическое равновесие при  охлаждении?

Задание для 2 группы.

Влияние изменения давления.

1). При помощи  компьютерной программы “Виртуальная  лаборатория” смоделируйте химическую  реакцию 

Что вы наблюдаете при увеличении давления? В какую  сторону смещается равновесие?

Что вы наблюдаете при уменьшении давления? В какую  сторону смещается равновесие?

Сформулируйте вывод.

2). Прочитайте  раздел “Влияние изменения давления”  параграфа “Химическое равновесие”.  Ответьте на вопросы:

В какую сторону  смещается химическое равновесие при  уменьшении давления?

В какую сторону  смещается химическое равновесие при увеличении давления?

В каких реакциях давление не влияет на состояние химического  равновесия?

Задание для 3 группы.

Влияние изменения концентрации веществ.

1).При помощи  компьютерной программы “Виртуальная  лаборатория” смоделируйте химическую  реакцию

3KCNS + FeCl₃ = Fe(CNS)₃ + 3KCl

красный

Что вы наблюдаете при увеличении концентрации хлорида  железа? В какую сторону смещается  равновесие?

Что вы наблюдаете при увеличении концентрации роданида калия? В какую сторону смещается  равновесие?

Что вы наблюдаете при увеличении концентрации хлорида калия? В какую сторону смещается равновесие?

Сформулируйте вывод.

2).Выполните  лабораторный опыт по инструкции.

В стаканчик  с 30 мл воды добавляют 2 капли концентрированных  растворов роданида калия и хлорида  железа(3).

Что вы наблюдаете?

3KCNS + FeCl₃ = ……………..

Разлейте раствор  на 4 пробирки.

Добавьте:

В 1-ю пробирку – 1-2 капли раствора КCNS

Раствор становится……

…….. Равновесие сместилось………..

В 2-ю пробирку – 1-2 капли раствора FeCl₃

Раствор становится………

…. Равновесие сместилось………….

В 3-ю пробирку – кристал. KCl

Раствор становится…

…….. Равновесие сместилось……………

4-я пробирка - контрольная. 

Сформулируйте вывод.

3).Прочитайте  раздел “Влияние изменения концентрации  веществ” параграфа “Химическое  равновесие”. Ответьте на вопросы:

В какую сторону  смещается химическое равновесие при  увеличении концентрации реагирующих  веществ?

В какую сторону  смещается химическое равновесие при увеличении продуктов реакции?

Задание для 4 группы.

Выполните упражнения №1,2,3,4по учебнику стр.147

Подготовьтесь к ответу у доски:

N₂ + 3H₂ = 2NH₃ + Q

- Дайте полную  характеристику реакции.

- Как сместить  равновесие в сторону получения  аммиака? 
 
 
 
 
 

Пусть в систему 2 Н2 + О2 ? 2 Н2О вводится избыток водорода. Постоянство значения  константы  равновесия может быть при этом сохранено  только в том случае, если соответственно уменьшится концентрация кислорода  и увеличится концентрация водяного пара. Практически это означает, что, желая при данных внешних условиях полнее использовать кислород, следует увеличивать концентрацию водорода. С другой стороны, чтобы полнее использовать водород, нужно вводить в систему избыток кислорода.  
Того же эффекта - лучшего использования одного из реагирующих веществ - можно иногда добиться и путем уменьшения концентрации другого участника реакции. Допустим, что система 2 Н2 + О2 ? 2 Н2О заключена в сосуде, непроницаемом для водяного пара и кислорода, но пропускающем водород. Тогда последний будет покидать систему, уменьшая тем самым знаменатель выражения для константы равновесия. В силу постоянства К неизбежным результатом этого явится дальнейшее разложение водяного пара и накопление в сосуде свободного кислорода.  
До сих пор равновесные системы рассматривались при неизменных внешних условиях. Общую формулировку влияния их изменения дает принцип смещения равновесий (Ле- Шателье, 1884 г.), который может быть выражен следующим образом: если на равновесную систему производить внешнее воздействие, то равновесие смещается в сторону,  
указываемую этим воздействием, и до тех пор, пока нарастающее в системе противодействие не станет равно внешнему действию.  
Общая формулировка принципа смещения равновесий наглядно иллюстрируется на примере следующей механической системы. Представим себе пружину, вделанную в неподвижную опору. Предоставленная самой себе, подобная система находится в равновесии. Если прилагать какую-то определенную внешнюю силу для растяжения пружины, то равновесие системы смещается в сторону, указываемую внешним воздействием, - пружина растягивается. Однако при этом возникают и по мере деформации пружины все более увеличиваются силы ее упругости, т. е. в системе нарастает противодействие. Наконец, наступает такой момент, когда это противодействие становится равным внешнему действию: устанавливается новое равновесное состояние, отвечающее растянутой пружине, т. е. смещение относительно исходного в сторону, указываемую внешним воздействием.  
Принцип смещения равновесий необычайно широк. Именно поэтому его общая формулировка несколько расплывчата. Ниже этот принцип детально рассматривается в применении к важнейшим для химии внешним условиям - температуре и давлению.  
Уравнение 2 Н2 + О2 = 2 Н2О + 485 кДж  
показывает, что соединение водорода с кислородом сопровождается выделением тепла, а распад водяного пара на элементы - его поглощением. Если мы имеем рассматриваемую систему в равновесии при некоторой температуре и затем нагреваем ее, то равновесие последовательно смещается в сторону образования все больших концентраций свободного  
водорода и кислорода. Но по закону действия масс одновременно ускоряется и идущая с выделением тепла реакция их соединения, т. е. в системе постоянно нарастает противодействие. Новое равновесие устанавливается тогда, когда концентрации свободных водорода и кислорода возрастут настолько, что выделяемое при их взаимодействии количество тепла станет равно сообщаемому за то же время системе извне.  
Чем больше тепла сообщается системе, тем более это благоприятствует распаду водяного пара, т. е. эндотермической реакции. Наоборот, отвод тепла от системы благоприятствует более полному соединению водорода с кислородом, т. е.  
экзотермической реакции. Следовательно, при нагревании равновесной системы равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, при охлаждении - в сторону экзотермической.  
Для газообразной системы  
2 Н2 + О2 ? 2 Н2О  
имеем в левой части уравнения 3 молекулы, в правой - 2 молекулы. Применяя закон Авогадро, находим, что если бы весь водяной пар разложился на водород и кислород, то система занимала бы 3 объема, а если бы распада совсем не было - 2 объема. Фактически занимаемое системой число объемов должно быть некоторым промежуточным, зависящим  
от положения равновесия, причем смещение последнего в сторону образования водяного пара ведет к уменьшению объема, а в сторону его распада - к увеличению.  
Изменение оказываемого на газообразную систему внешнего давления должно вызывать соответствующее изменение ее объема. При повышении давления он будет уменьшаться, при понижении - увеличиваться. Допустим, что оказываемое на систему давление повышается. Равновесие при этом смещается в сторону образования водяного пара, т. е. его относительная концентрация возрастает. Но по закону действия масс соответственно ускоряется идущее с увеличением объема разложение водяного пара на элементы. Результатом этого является нарастание в системе противодействия. Новое  
состояние равновесия установится при такой концентрации водяного пара, когда создаваемое самой системой давление станет равно производимому на нее извне.  
Таким образом, при увеличении внешнего давления на систему 2 Н2 + О2 ? 2 Н2О равновесие сместится в сторону образования воды, при уменьшении - в сторону ее распада. Сопоставляя данные при какой-либо одной температуре, можно видеть влияние на диссоциацию увеличения и уменьшения давления.  
Подобно рассмотренному выше случаю диссоциации воды, внешнее давление влияет и на положение равновесия других обратимых реакций между газами, протекающих с изменением объема. Последнее же обусловлено разным числом молекул в левой и правой частях уравнения реакции.  
Отсюда вытекает формулировка принципа смещения равновесий применительно к влиянию давления на равновесие обратимых газовых реакций: при увеличении давления равновесие смещается в сторону образования меньшего числа молекул, при уменьшении - в сторону большего. Если общее число молекул в левой и правой частях уравнения  
реакций одинаково, изменение давления не влияет на положение химического равновесия.