Chemia - Zbiór zadań CKE, Poziom rozszerzony (Formuła 2015) - Zadanie 41.

Kategoria: Stan równowagi Typ: Zamknięte (np. testowe, prawda/fałsz) Podaj i uzasadnij/wyjaśnij

Reakcja syntezy amoniaku przebiega zgodnie z równaniem:

N₂ (g) + 3H₂ (g) ⇄ 2NH₃ (g) Δ H = –92,4 kJ

Na położenie stanu równowagi tej reakcji wpływ mają temperatura i ciśnienie. W poniższej tabeli przedstawiono równowagowe zawartości amoniaku (w procentach objętościowych) w stechiometrycznej mieszaninie azotu i wodoru pod różnym ciśnieniem i w różnych temperaturach.

Temperatura, °C	Ciśnienie, MPa
Temperatura, °C	0,1	3	10	20	100
200	15,2	67,6	80,6	85,8	98,3
300	2,18	31,8	52,1	62,8	92,6
400	0,44	10,7	25,1	36,3	79,8
500	0,129	3,62	10,4	17,6	57,5
600	0,049	1,43	4,47	8,25	31,4
700	0,0223	0,66	2,14	4,11	12,9
900	0,000212	0,0044	0,13	0,44	0,87

Na podstawie: A. Bielański, Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 2004, s. 649.

a)	Dokonaj analizy danych zawartych w tabeli i uzupełnij poniższe zdanie. Podkreśl właściwe określenie w każdym nawiasie.

Po ustaleniu się stanu równowagi ilość amoniaku w układzie jest tym większa, im (niższa/wyższa) jest temperatura oraz im (niższe/wyższe) jest ciśnienie.

b)	Uzasadnij na podstawie reguły przekory Le Chateliera zmianę zawartości amoniaku w stechiometrycznej mieszaninie azotu i wodoru w zależności od ciśnienia i temperatury.

Rozwiązanie

(0-1)
Po ustaleniu się stanu równowagi ilość amoniaku w układzie jest tym większa, im (niższa/wyższa) jest temperatura oraz im (niższe/wyższe) jest ciśnienie.

(0-1)

Przykłady poprawnych odpowiedzi
Reakcja syntezy amoniaku jest reakcją egzotermiczną, a więc w wyniku ogrzewania układu równowaga przesuwa się w lewo, jest to niekorzystne dla tworzenia produktu. Reakcja syntezy amoniaku w warunkach stałego ciśnienia przebiega ze zmniejszeniem objętości, a więc zwiększenie ciśnienia jest korzystne dla tworzenia amoniaku, równowaga przesuwa się w prawo.

lub

Reakcja syntezy amoniaku jest reakcją egzotermiczną, a więc w wyniku chłodzenia układu równowaga przesuwa się w prawo, jest to korzystne dla tworzenia amoniaku. Reakcja syntezy amoniaku w warunkach stałego ciśnienia przebiega ze zmniejszeniem objętości, a więc zmniejszenie ciśnienia jest korzystne dla tworzenia substratów, równowaga przesuwa się w lewo.

lub

Reakcja syntezy amoniaku jest reakcją egzotermiczną, a więc jeśli podwyższymy temperaturę układu, to układ będzie zmierzał do zniwelowania tej zmiany, co oznacza wzrost wydajności reakcji tworzenia substratów.
Reakcja syntezy amoniaku w warunkach stałego ciśnienia przebiega ze zmniejszeniem objętości, a więc jeśli zwiększymy ciśnienie w układzie znajdującym się w stanie równowagi, to układ będzie zmniejszać swoją objętość, co oznacza wzrost wydajności reakcji syntezy amoniaku.

lub

Reakcja syntezy amoniaku jest reakcją egzotermiczną, a więc jeśli obniżymy temperaturę układu, to układ będzie zmierzał do zniwelowania tej zmiany, co oznacza wzrost wydajności reakcji syntezy amoniaku. Reakcja syntezy amoniaku w warunkach stałego ciśnienia przebiega ze zmniejszeniem objętości, a więc jeśli zmniejszymy ciśnienie w układzie znajdującym się w stanie równowagi, to układ będzie zwiększać swoją objętość, co oznacza wzrost wydajności reakcji przeciwnej.

Wskazówki

Rozwiązanie zadania wymaga odczytania i zinterpretowania danych zawartych w zamieszczonej tabeli. Na podstawie danych musisz ustalić, jak zmienia się zawartość procentowa amoniaku w mieszaninie równowagowej ze zmianą temperatury i ze zmianą ciśnienia. Z danych tych wynika, że wraz ze wzrostem temperatury (przy stałym ciśnieniu) zmniejsza się wydajność otrzymywania amoniaku, np. przy ciśnieniu 0,1 MPa zawartość amoniaku w mieszaninie wynosi 15,2% w temperaturze 200°C, 0,129% w temperaturze 500°C, 0,000212% w temperaturze 900°C. Natomiast wraz ze wzrostem ciśnienia (w stałej temperaturze) zwiększa się wydajność otrzymywania amoniaku, np. w temperaturze 400°C zawartość amoniaku w mieszaninie wynosi 0,44% pod ciśnieniem 0,1 MPa, 25,1% pod ciśnieniem 10 MPa, 79,8% pod ciśnieniem 100 MPa.

Rozwiązanie zadania wymaga znajomości reguły przekory Le Chateliera. Trzeba wiedzieć, że układ będący w stanie równowagi przeciwdziała zmianom wywieranym przez czynniki zewnętrzne naruszające jego równowagę, w wyniku czego w układzie zachodzą zmiany i ponownie ustala się stan równowagi. Zauważ, że reakcja syntezy amoniaku jest reakcją egzotermiczną (ΔH < 0), ciepło jest wydzielane, a więc wzrost temperatury, czyli dostarczanie ciepła, jest niekorzystne dla tworzenia amoniaku. Zauważ również, że w wyniku syntezy amoniaku następuje zmiana objętości – z 4 moli gazowych substratów powstają 2 mole gazowego produktu. Tak więc zwiększenie ciśnienia wywieranego na układ jest korzystne dla tworzenia amoniaku.