Преобразование констант и энергетические связи — Неорганическая химия для олимпиад

Преобразование констант и энергетические связи

9 заданий

Алгебра констант

Константу реакции не всегда нужно измерять непосредственно. Если известны константы других реакций, из уравнений которых можно составить нужное уравнение, искомую константу находят расчётом.

При обращении уравнения реагенты и продукты меняются местами, поэтому новая константа обратна исходной. Если все коэффициенты умножить на одно число, показатели степеней в выражении для константы умножатся на то же число. При сложении уравнений промежуточные вещества сокращаются; соответствующие величины сокращаются и в произведении констант.

Действие с уравнениемДействие с константой
Реагенты и продукты меняют местами.\(K' = 1/K\)
Все коэффициенты умножают на \(n\).\(K' = K^n\)
Уравнения двух реакций складывают.\(K = K_1K_2\)
Из уравнения первой реакции вычитают уравнение второй.\(K = K_1/K_2\)

edit_noteХлорид серебра в аммиаке

Растворение хлорида серебра характеризуется произведением растворимости \(K_s\): \(\ce{AgCl (тв) <=> Ag+ + Cl-}\), \(K_s = 1{,}8\cdot10^{-10}\) Ион серебра образует с аммиаком комплексный ион; константа образования комплекса равна \(\beta\): \(\ce{Ag+ + 2NH3 <=> [Ag(NH3)2]+}\), \(\beta = 1{,}6\cdot10^{7}\) При сложении уравнений ион серебра сокращается: \(\ce{AgCl + 2NH3 <=> [Ag(NH3)2]+ + Cl-}\), \(K = K_s\beta = 2{,}9\cdot10^{-3}\). Таким образом, хлорид серебра растворяется в аммиаке. Для иодида \(K_s = 8{,}3\cdot10^{-17}\) и \(K = 1{,}3\cdot10^{-9}\), поэтому иодид серебра в аммиаке практически не растворяется. Различие в растворимости используют для разделения галогенидов в качественном анализе.

boltПроверка выражения для константы

После вычисления константы составьте её выражение для итоговой реакции и сравните его с полученным произведением или частным. Если вещество оказалось в числителе вместо знаменателя, проверьте, не забыли ли вы обратить одно из уравнений.

scienceКонстанты, полученные комбинированием уравнений

  1. \(\ce{H2S <=> 2H+ + S^2-}\) — при сложении двух ступеней диссоциации константы перемножаются: \(K = K_{a1}K_{a2}\).
  2. \(\ce{AgCl + 2NH3 -> [Ag(NH3)2]+ + Cl-}\) — при образовании комплекса хлорид серебра растворяется в аммиаке.
  3. \(\ce{CO + H2O <=> CO2 + H2}\) — эту реакцию получают, вычитая реакцию горения \(\ce{H2}\) из реакции горения \(\ce{CO}\); её константа равна \(K = K_1/K_2\).

Энергия Гиббса и константа

Константа показывает положение равновесия, а стандартная энергия Гиббса реакции позволяет рассчитать её из термодинамических данных. Эти величины связаны соотношением:

\[\Delta G^\circ = -RT\ln K\qquad\Leftrightarrow\qquad K = e^{-\Delta G^\circ/RT}\]

Здесь \(\Delta G^\circ\) — стандартная энергия Гиббса реакции, определяемая для веществ в стандартных состояниях. При данной температуре она однозначно определяет \(K\). Чтобы установить направление реакции при текущем составе смеси, используют реакционное частное \(Q\): его вычисляют по тому же выражению, что и константу, но для текущего состава. Тогда \(\Delta G = RT\ln(Q/K)\). Отрицательное значение \(\Delta G\) указывает на самопроизвольное протекание реакции в прямом направлении, а положительное — в обратном.

\(\Delta G^\circ\) при 298 К, кДж/моль\(K\)Положение равновесия
\(-57\)\(10^{10}\)Равновесие сильно смещено к продуктам; реакция может протекать практически до конца.
\(-5{,}7\)10Равновесие заметно смещено вправо.
01Величина константы не отдаёт предпочтения ни одной стороне реакции.
\(+5{,}7\)0,1Равновесие заметно смещено влево.
\(+57\)\(10^{-10}\)Равновесие сильно смещено к реагентам; продуктов образуется очень мало.

Константа характеризует равновесие, но сама по себе не определяет состав смеси при любых исходных количествах веществ.

boltИзменение константы на порядок

При 298 К \(RT\ln10 = 5{,}7\) кДж/моль. Если \(\Delta G^\circ\) уменьшается на 5,7 кДж/моль, константа увеличивается в 10 раз; при таком же увеличении \(\Delta G^\circ\) константа уменьшается в 10 раз. Поэтому при \(\Delta G^\circ = -40\) кДж/моль можно без калькулятора оценить \(K \approx 10^{7}\).

errorПоложительное значение \(\Delta G^\circ\) не запрещает реакцию

При \(\Delta G^\circ = +10\) кДж/моль \(K = 0{,}018\): равновесие смещено к реагентам, однако некоторое количество продуктов всё же образуется. Если непрерывно удалять продукт, реакция может пройти практически полностью. Условие \(\Delta G > 0\) означает, что при данном составе самопроизвольное протекание реакции в прямом направлении невозможно; при изменении состава знак \(\Delta G\) может измениться.

Уравнение Вант-Гоффа

Чтобы узнать, как константа зависит от температуры, объединим \(\Delta G^\circ = -RT\ln K\) и \(\Delta G^\circ = \Delta H^\circ - T\Delta S^\circ\). Получим:

\[\ln K = -\frac{\Delta H^\circ}{RT} + \frac{\Delta S^\circ}{R}\]

Если в рассматриваемом интервале температур \(\Delta H^\circ\) и \(\Delta S^\circ\) можно считать постоянными, график зависимости \(\ln K\) от \(1/T\) представляет собой прямую с наклоном \(-\Delta H^\circ/R\). Для двух температур в том же приближении справедливо уравнение Вант-Гоффа:

\[\ln\frac{K_2}{K_1} = -\frac{\Delta H^\circ}{R}\left(\frac1{T_2} - \frac1{T_1}\right)\]

edit_noteАммиак при нагревании

Для реакции \(\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}\) известны \(K_p(298) = 5{,}8\cdot10^{5}\) и \(\Delta H^\circ = -92{,}2\) кДж/моль. При 700 К расчёт даёт \(\ln\dfrac{K_2}{K_1} = \dfrac{92\,200}{8{,}314}\left(\dfrac1{700} - \dfrac1{298}\right) = -21{,}4\), откуда \(K_p(700) \approx 3\cdot10^{-4}\). Константа уменьшилась почти в два миллиарда раз. Однако при комнатной температуре, несмотря на большую константу, реакция протекает крайне медленно: азот слишком инертен. Поэтому при выборе температуры синтеза аммиака приходится учитывать и положение равновесия, и скорость реакции.

history_eduПервый нобелевский лауреат по химии

Якоб Вант-Гофф вывел это уравнение в книге «Очерки по химической динамике» (1884). В том же году Ле Шателье сформулировал свой принцип. В 1901 году Вант-Гофф получил первую в истории Нобелевскую премию по химии за законы химической динамики и осмотического давления.

boltПроверка знака

При повышении температуры константа эндотермической реакции растёт, а экзотермической — уменьшается. Если расчёт показывает обратное, проверьте знак в уравнении.

push_pinГлавное

При обращении реакции её константа становится равной \(1/K\); умножение коэффициентов на \(n\) превращает константу в \(K^n\), а сложение реакций приводит к перемножению их констант. Соотношение \(\Delta G^\circ = -RT\ln K\) связывает равновесие с термодинамикой: при 298 К изменение стандартной энергии Гиббса на 5,7 кДж/моль меняет \(K\) в 10 раз. Температурную зависимость приближённо рассчитывают по уравнению Вант-Гоффа \(\ln\dfrac{K_2}{K_1} = -\dfrac{\Delta H^\circ}{R}\left(\dfrac1{T_2} - \dfrac1{T_1}\right)\); если \(\Delta H^\circ\) можно считать постоянной, график \(\ln K\) от \(1/T\) является прямой с наклоном \(-\Delta H^\circ/R\).

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.

Неорганическая химия для олимпиад · репетитор-кузьмин.рф
© 2026. Программа — авторская, по официальным комплектам ВсОШ, «Высшей пробы», «Ломоносова» и программе IChO; последовательность уроков и критерии перехода — методика курса.