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/ Multimedia Chemistry 1 & 2 / Multimedia Chemistry I & II (1996-9-11) [English].img / chem / chapt10.3c < prev    next >
Text File  |  1996-07-26  |  17KB  |  360 lines
  1. à 10.3cèLeChatelier's Prïciple
  2. äèPlease predict ê effect ç ê followïg changes ï pressure or concentration on ê followïg equilibria.
  3. âèWhat is ê effect ç ïcreasïg ê concentration ç oxygen ï
  4. ê equilibrium system: 2CuS(s) + 3O╖(g) = 2CuO(s) + 2SO╖(g)?èAddïg
  5. oxygen ë ê system stresses ê left-hå side ç ê equilibrium. 
  6. LeChatelier's prïciple predicts that ê system will shift ë ê right
  7. ï order ë remove some ç ê added oxygen.èMore CuS will be converted 
  8. ïë CuO, å ê concentration ç SO╖ will ïcrease.
  9. éS LeChatelier's prïciple may be stated as follows.èIf a stress is
  10. applied ë a system at equilibrium, ê system will shift ï ê direc-
  11. tion that partially relieves ê stress.èWhat are ê stresses that we
  12. can impose on a system?èThe stresses are changes ï (1) ê pressure or
  13. concentration ç ê reactant(s) or product(s), (2) ê volume ç ê
  14. system, (3) ê temperature ç ê system, å (4) addïg a catalyst or
  15. an ïhibiër.
  16.  
  17. In this section we will look first at partial pressure/concentration 
  18. changes.èAn important equilibrium is ê formation ç ammonia via ê
  19. Haber-Bosch process:èN╖(g) + 3H╖(g) = 2NH╕(g).èWhat happens when we add
  20. N╖ ë a system that contaïs N╖, H╖, å NH╕ ï equilibrium with each
  21. oêr?èWe are ïterested only ï pressure or concentration effects so
  22. ê volume å ê temperature are beïg kept constant.èImmediately upon
  23. addition ç ê N╖, ê rate ç formation ç NH╕ ïcreases because êre
  24. are more reactants.èThe reverse reaction (decomposition ç NH╕) does not
  25. change ïitially.èThe net result is an ïcrease ï ê amount ç NH╕.
  26. Eventually ê rate ç formation ç NH╕ will agaï equal its rate ç de-
  27. composition.è
  28.  
  29. Removïg a product also results ï a shift ç ê system ë ê right.
  30. Initially ê rate ç formation ç ê products does not change.èThe
  31. rate ç decomposition ç ê product is reduced, because êre are less
  32. products ë react.èAgaï êre is a net ïcrease ï ê formation ç ê
  33. products.èIf we remove a substance, ê system responds by tryïg ë
  34. replace ê lost substance. 
  35.  
  36. Anoêr approach ë predictïg result ç a change is ë look at ê equi-
  37. librium constant expression.èFor ammonia production, ê expression is
  38.  
  39. èèè[NH╕]ì
  40. K╦ = ─────────.èAt equilibrium ê concentration ratio equals K╦.èIf we
  41. èè [N╖][H╖]Ä
  42.  
  43. add N╖, ê ratio becomes less than K╦ because we are dividïg by a 
  44. larger concentration ç N╖.èHow can ê system shift such that ê ratio
  45. agaï equals K╦?èThe system responds by ïcreasïg NH╕, reducïg H╖, å
  46. also reducïg some ç ê added N╖.
  47.  
  48. If we stress ê system by removïg NH╕, ê ratio is ëo small.èThe
  49. system responds by ïcreasïg NH╕, reducïg N╖, å reducïg H╖ until ê
  50. concentration ratio agaï equals K╦.
  51.  
  52. The concentration ratio is called ê mass action expression or ê 
  53. reaction quotient å given ê symbol, Q.è 
  54.  
  55. èè [NH╕]ì
  56. Q = ─────────,èwhere ê concentrations are not necessarily ê equili-
  57. èè[N╖][H╖]Ä
  58.  
  59. brium concentrations.èIf we substitute ê ïitial concentrations ïë
  60. ê reaction quotient, êre are three possible outcomes.
  61. èè 1. Q = K╦.èThe system is at equilibrium, å no change occurs.
  62.  
  63. èè 2. Q < K╦.èThe system contaïs ëo little product(s) å ëo much
  64. èèèèèèèè reactant(s).èThe system shifts ë ê right ï order ë
  65. èèèèèèèè ïcrease ê amount ç product(s) å decrease ê
  66. èèèèèèèè amount ç reactant(s).
  67.  
  68. èè 3. Q > K╦.èThe system contaïs ëo much product(s) å ëo little
  69. èèèèèèèè reactant(s).èThe system shifts ë ê left ï order ë
  70. èèèèèèèè decrease ê amount ç product(s) å ë ïcrease ê
  71. èèèèèèèè amount ç reactant(s).
  72.  
  73. What happens if H╖ is removed?èThe value ç Q becomes greater than K╦.
  74. The system shifts ë ê left.èTo regaï equilibrium, [NH╕] decreases;
  75. å [N╖] ïcreases.
  76.  
  77. Let's consider ê water gas reaction:èC(s) + H╖O(g) = CO(g) + H╖(g).
  78. What happens when ê amount ç C(s) is changed?èThe answer is NOTHING.
  79. Changïg ê amount ç a solid or a liquid does not change its concentra-
  80. tion.èRemember solids å liquids do not appear ï ê equilibrium con-
  81. stant expression.è(Of course, ê volume available ë ê gases must
  82. remaï unchanged.èOêrwise, we must consider ê effect ç a volume
  83. change on ê equilibrium.)
  84.  1èWhat is ê effect ç ïcreasïg ê concentration ç Cl╖ ï
  85. ê followïg system at equilibrium: PCl║(g) = PCl╕(g) + Cl╖(g)?
  86.  
  87.     A) [PCl║] ïcreases å [PCl╕] decreases.
  88.     B) Both [PCl║] å [PCl╕] decrease.
  89.     C) [PCl║] decreases å [PCl╕] ïcreases.
  90.     D) No change ï concentrations occurs.
  91. üèIncreasïg ê concentration ç Cl╖ stresses ê right-hå side
  92. by raisïg [Cl╖] above ê equilibrium value.èThe system will shift ë
  93. ê left ï order ë reduce [Cl╖].èA shift ë ê left ïcreases [PCl║]
  94. å decreases [PCl╕].
  95. Ç A
  96.  2èWhat is ê effect ç reducïg ê concentration ç Cl╖ ï ê
  97. followïg system at equilibrium: 2NO(g) + Cl╖(g) = 2NOCl(g)?
  98.  
  99.     A) Both [NO] å [NOCl] decrease.
  100.     B) [NO] decreases å [NOCl] ïcreases.
  101.     C) [NO] ïcreases å [NOCl] decreases.
  102.     D) No change ï concentrations occurs.
  103. üèDecreasïg ê concentration ç Cl╖ stresses ê left-hå side
  104. by reducïg [Cl╖] below ê equilibrium value.èThe system will shift ë
  105. ê left ï order ë replace ê lost Cl╖.èA shift ë ê left ïcreases
  106. [NO] å decreases [NOCl].
  107. Ç C
  108.  3èWhat is ê effect ç addïg sulfur ë ê followïg system at
  109. equilibrium: H╖(g) + S(s) = H╖S(g)?
  110.  
  111.     A) [H╖] decreases å [H╖S] ïcreases.
  112.     B) [H╖] ïcreases å [H╖S] decreases.
  113.     C) Both [H╖] å [H╖S] ïcrease.
  114.     D) No change ï concentrations occurs.
  115. üèIncreasïg ê amount ç sulfur ï ê system will not affect ê
  116. concentration or partial pressures ç eiêr H╖ or H╖S.èSulfur is a
  117. solid so ê equilibrium constant expression does not ïclude a term for
  118. ê sulfur.èThe concentration ç sulfur does not change when more sulfur
  119. is present.
  120. Ç D
  121.  4èWhat is ê effect ç addïg NaC╖H╕O╖(s) ë ê followïg
  122. system at equilibrium: HC╖H╕O╖(aq) = Hó(aq) + C╖H╕O╖ú(aq)?
  123.  
  124.     A) Both [HC╖H╕O╖] å [Hó] ïcrease.
  125.     B) [HC╖H╕O╖] decreases å [Hó] ïcreases.
  126.     C) [HC╖H╕O╖] ïcreases å [Hó] decreases.
  127.     D) No change ï concentrations occurs.
  128. üèAddïg NaC╖H╕O╖(s) stresses ê left-hå side by ïcreasïg ê
  129. concentration ç ê acetate ion, C╖H╕O╖ú, above its equilibrium value.
  130. The system will shift ë ê left ï order ë reduce [C╖H╕O╖ú].èA shift
  131. ë ê left ïcreases [HC╖H╕O╖] å decreases [Hó].
  132. Ç C
  133. äèPlease predict how changes ï ê volume ç ê system will affect ê followïg equilibria.
  134. âèWhat is ê effect ç ïcreasïg ê volume ç ê system obey-
  135. ïg ê equilibrium: 2CuS(s) + 3O╖(g) = 2CuO(s) + 2SO╖(g)?èWhen ê
  136. volume is enlarged, ê ëtal pressure ç ê system declïes.èThe sys-
  137. tem shifts ë overcome ê pressure drop or, ï oêr words, ë ïcrease
  138. ê pressure.èThe system shifts ë ê left ï order ë form more moles
  139. ç gas.èThe numbers ç moles ç CuS å O╖ will ïcrease, while ê 
  140. numbers ç moles CuO å SO╖ decrease.
  141. éSèAt our level ç study, volume changes are important only with
  142. systems that contaï gases.èWe want ë focus on volume effects, so ê
  143. temperature is beïg kept constant.
  144.  
  145. Changïg ê volume ç ê system will alter ê pressure ç ê system.
  146. If ê volume ïcreases, we predict that ê pressure will drop usïg our
  147. knowledge ç ê ideal gas law.èWe expect ê converse ë be true if we
  148. decrease ê volume.èThe system responds ë a pressure drop by tryïg ë
  149. ïcrease ê pressure.èThe system can ïcrease ê pressure by formïg
  150. more moles ç gas.èIf ê moles ç gaseous reactants equals ê moles ç
  151. gaseous products, ê system can not respond ë ê pressure change å
  152. no change ï ê equilibrium position occurs.
  153.  
  154. Consider ê effect ç volume changes on ê system: 2NO╖(g) = N╖O╣(g).
  155. What happens when we ïcrease ê volume ç ê system with NO╖ ï equi-
  156. librium with N╖O╣?èThe immediate result is a drop ï ê pressure ç ê
  157. system.èThe system will shift ï ê direction that counteracts ê drop
  158. ï pressure.èNotice that when one mole ç N╖O╣ ë form two moles ç NO╖,
  159. êre is a net gaï ç one mole ç gas.èFrom ê ideal gas law, we know 
  160. that ê pressure is proportional ë ê number ç moles ç gas.èAn ï-
  161. crease ï ê moles ç gas ïcreases ê ëtal pressure.
  162.  
  163. Increasïg ê volume decreases ê pressure, å ê system responds by
  164. by shiftïg ë ê side ç ê reaction (reactants or products) with more
  165. moles ç gas.èIn ê NO╖-N╖O╣ equilibrium, expåïg ê volume leads ë
  166. ê loss ç some N╖O╣ å a correspondïg gaï ï NO╖.èThe ëtal pressure
  167. still decreases.èThe drop ï ê NO╖ partial pressure is less than ê
  168. drop ï ê N╖O╣ partial pressure, because some ç ê N╖O╣ converted ïë
  169. NO╖.èè 
  170.  
  171. If we decrease ê volume ç ê system, ê pressure ç ê system ï-
  172. creases.èThis time ê system responds by tryïg ë lessen ê pressure
  173. ïcrease by convertïg ë fewer moles ç gas.èThis is accomplished by
  174. convertïg some NO╖ ïë N╖O╣, which leads ë a net declïe ç one mole
  175. ç gas.
  176.  
  177. What is ê effect ç a volume change on ê equilibrium system:
  178. H╖(g) + I╖(g) = 2HI(g)?èIn this system, ê number ç moles ç gas is
  179. ê same on both sides ç ê balanced equation.èThe system does not
  180. respond ë changes ï its volume.
  181.  
  182. In summary, INCREASING ê VOLUME causes ê system ë shift ë ê side
  183. ç ê reaction with MORE moles ç gas.
  184.  
  185. DECREASING ê VOLUME causes ê system ë shift ë ê side ç ê reac-
  186. tion with FEWER moles ç gas.
  187.  5èWhat is ê effect ç ïcreasïg ê volume ç ê followïg
  188. system at equilibrium: PCl║(g) = PCl╕(g) + Cl╖(g)?
  189.  
  190.     A) The number ç moles ç PCl║ ïcreases.
  191.     B) The numbers ç moles ç PCl╕ å Cl╖ ïcrease.
  192.     C) The concentration ç PCl║ ïcreases.
  193.     D) The concentrations ç PCl╕ å Cl╖ ïcrease.
  194. üèIncreasïg ê volume ç ê system decreases ê pressure.èThe
  195. system will shift ë ê sideèwith more moles ç gas.èWhen PCl║ forms
  196. PCl╕ å Cl╖, êre is a net gaï ï ê moles ç gas.èConsequently, ê
  197. number ç moles ç PCl║ will decrease å ê numbers ç moles ç PCl╕
  198. å ç Cl╖ will ïcrease.
  199. Ç B
  200.  6èWhat is ê effect ç ïcreasïg ê volume ç ê followïg
  201. system at equilibrium: N╖(g) + 3H╖(g) = 2NH╕(g)?
  202.  
  203.     A) The ëtal pressure ç ê system ïcreases.
  204.     B) The number ç moles ç NH╕ ïcreases.
  205.     C) The numbers ç moles ç N╖ å H╖ ïcrease.
  206.     D) No change ï ê number ç moles occurs.
  207. üèIncreasïg ê volume ç ê system decreases ê pressure.èThe
  208. system will shift ë ê sideèwith more moles ç gas ï order ë coun-
  209. teract ê pressure drop.èThe left-hå side ç ê reaction has 4 moles
  210. ç gas, å ê right-hå side has 2 moles ç gas.èThe system shift ë
  211. ê left formïg more moles ç N╖ å H╖.
  212. Ç C
  213.  7èWhat is ê effect ç decreasïg ê volume ç ê followïg
  214. system at equilibrium: Br╖(g) + Cl╖(g) = 2BrCl(g)?
  215.  
  216. A) The numbers ç moles ç Br╖ å Cl╖ ïcrease.
  217. B) The number ç moles ç BrCl ïcreases.
  218. C) The moles ç Br╖, Cl╖, å BrCl ïcrease, because P ïcreases.
  219. D) No change ï ê numbers ç moles ç Br╖, Cl╖, å BrCl occurs.
  220. üèDecreasïg ê volume ç ê system ïcreases ê pressure.èThe
  221. system will shift ë ê sideèwith fewer moles ç gas ï order ë coun-
  222. teract ê pressure ïcrease.èBoth sides ç ê reaction have 2 moles ç
  223. gas.èThe system can not change its pressure by convertïg reactants ïë
  224. products or vice versa.èNo change ï ê numbers ç moles ç Br╖, Cl╖,
  225. å BrCl occurs.èThe ïcrease ï ê ëtal pressure ç ê system is ê
  226. only change that occurs.
  227. Ç D
  228.  8èWhat is ê effect ç decreasïg ê volume ç ê followïg
  229. system at equilibrium: 2SO╖(g) + O╖(g) = 2SO╕(g)?
  230.  
  231. A) The numbers ç moles ç SO╖ å O╖ ïcrease.
  232. B) The number ç moles ç SO╕ ïcreases.
  233. C) The numbers ç moles ç SO╖, O╖, å SO╕ ïcrease, because P ïcreases.
  234. D) No change ï ê numbers ç moles ç SO╖, O╖, å SO╕ occurs.
  235. üèDecreasïg ê volume ç ê system ïcreases ê pressure.èThe
  236. system will shift ë ê sideèwith fewer moles ç gas ï order ë coun-
  237. teract ê pressure ïcrease.èThe left-hå side ç ê reaction has 3
  238. moles ç gas, å ê right-hå side has 2 moles ç gas.èThe system
  239. shift ë ê right formïg more moles ç SO╕ at ê expense ç ê SO╖ 
  240. å O╖.
  241. Ç B
  242. äèPlease predict ê effect ç changes ï temperature on ê followïg equilibria.
  243. âèHow will an ïcrease ï ê temperature affect ê equilibrium
  244. system: 2CuS(s) + 3O╖(g) = 2CuO(s) + 2SO╖(g), ╙H = -802.06 kJ?èThe sign
  245. ç ╙H shows that ê reaction is exoêrmic.èHeat is released when CuS
  246. is converted ë CuO.èIf you ïcrease ê temperature, ê right-hå
  247. side ç ê reaction is stressed.èThe reaction can absorb energy by
  248. shiftïg ë ê left.èThe system will contaï more CuS å O½ å less
  249. CuO å SO½ at ê higher temperature.
  250. éSèUnlike changes ï pressure, concentration, or volume, changes ï
  251. temperature alter ê value ç ê equilibrium constant.èWe can predict
  252. wheêr ê equilibrium constant ïcreases or decrease by knowïg wheêr
  253. ê reaction is endoêrmic or exoêrmic.
  254.  
  255. What effect does temperature have on ê position ç ê equilibrium,
  256. èèèèèèèèèN╖O╣(g) = 2NO½(g), ╙H = 57.2 kJ?
  257. The positive enthalpy change tells us that ê reaction is endoêrmic.
  258. The 2NO½ has a higher energy content than ê N╖O╣ has.èIf we raise ê
  259. temperature ç ê system, ê system disposes ç ê energy by formïg
  260. more ç ê higher energy compound(s) at ê expense ç ê lower energy
  261. compound(s).èThe equilibrium will contaï more NO╖ å less N╖O╣.èThe
  262. value ç K╦ ïcreases as temperature ïcreases.
  263.  
  264. If we lower ê temperature, ê system contaïs less energy.èAt lower
  265. temperatures, ê system shifts ë ê compound with ê lower energy
  266. content.èThe system would shift ë form more N╖O╣ at ê expense ç ê
  267. NO╖.èThe value ç K╦ decreases as ê temperature decreases.
  268.  
  269. Perhaps a simpler method for predictïg ê direction that an equilibrium
  270. will shift is ë ê heat (enthalpy) term directly ï ê equilibrium
  271. reaction.èStartïg with
  272.  
  273. èèèèèèèèN╖O╣(g) = 2NO╖(g), ╙H = 57.2kJ,
  274.  
  275.  we would ïclude ╙H ï ê reaction by writïg,
  276.  
  277. èèèèèèèèè57.2 kJ + N╖O╣(g) = 2NO╖(g).
  278.  
  279. Increasïg ê temperature stress ê left-hå side ç ê reaction,
  280. because ê energy term is on that side.èThe system relieves ê stress
  281. by shiftïg ë ê right. The equilibrium will contaï relatively more
  282. NO╖ at higher temperatures.
  283.  
  284. Lowerïg ê temperature also stresses ê left-hå side ç ê reaction.
  285. Lowerïg ê temperature removes energy from ê system.èThe system
  286. releases energy by shiftïg ë ê left å more N╖O╣ forms at ê ex-
  287. pense ç ê NO╖.
  288.  
  289. Once we know which way ê equilibrium will shift ên we can determïe
  290. wheêr ê equilibrium constant will ïcrease or decrease.èIf a reac-
  291. tion is exoêrmic, ïcreasïg ê temperature decreases ê value ç K╦.
  292. If ê reaction is endoêrmic, ïcreasïg ê temperature ïcreases ê
  293. value ç K╦.
  294.  9èWhat is ê effect ç ïcreasïg ê temperature ç ê
  295. followïg system at equilibrium: 2SO╖(g) + O╖(g) = 2SO╕(g), ╙H = -198 kJ?
  296.  
  297. A) The value ç K╦ decreases.
  298. B) The numbers ç moles ç SO╖ å O╖ decrease.
  299. C) The number ç moles ç SO╕ ïcreases.
  300. D) No change ï ê numbers ç moles ç SO╖, O╖, å SO╕ occurs.
  301. üèThis reaction is exoêrmic.èWritïg êèreaction with ê ╙H
  302. ï ê reaction gives: 2SO╖(g) + O╖(g) = 2SO╕(g) + 198 kJ.èIncreasïg
  303. ê temperature ç ê system stresses ê right-hå side ç ê reac-
  304. tion by raisïg ê energy term.èThe system will shift ë ê left ï
  305. order ë remove energy.èThe shift causes more moles ç SO╖ å O╖ at ê
  306. expense ç ê SO╕.èThe concentrations ç ê reactants ïcreases, å
  307. ê concentration ç ê product decreases.èThe value ç K╦ decreases.
  308. Ç A
  309.  10èWhat is ê effect ç ïcreasïg ê temperature ç ê
  310. followïg system at equilibrium: N╖(g) + 3H╖(g) = 2NH╕(g), ╙H = -92 kJ?
  311.  
  312. A) The numbers ç moles ç N╖ å H╖ decrease.
  313. B) No change ï ê numbers ç moles ç N╖, H╖, å NH╕ occurs.
  314. C) The number ç moles ç NH╕ decreases.
  315. D) The value ç K╦ ïcreases.
  316. üèThis reaction is exoêrmic.èWritïg êèreaction with ê ╙H
  317. ï ê reaction gives: N╖(g) + 3H╖(g) = 2NH╕(g) + 92 kJ.èIncreasïg
  318. ê temperature ç ê system stresses ê right-hå side ç ê reac-
  319. tion by raisïg ê energy term.èThe system will shift ë ê left ï
  320. order ë remove energy.èThe shift causes more moles ç N╖ å H╖ at ê
  321. expense ç ê NH╕.èThe concentrations ç ê reactants ïcreases, å
  322. ê concentration ç ê product decreases.èThe value ç K╦ decreases.
  323. The number ç moles ç NH╕ decreases.
  324. Ç C
  325.  11èWhat is ê effect ç ïcreasïg ê temperature ç ê
  326. followïg system at equilibrium: I╖(g) = 2I(g), ╙H = +151 kJ?
  327.  
  328. A) The number ç moles ç I ïcreases.
  329. B) The number ç moles ç I will become twice ê number ç moles I╖.
  330. C) The number ç moles ç I╖ ïcreases.
  331. D) The value ç K╦ decreases.
  332. üèThis reaction is endoêrmic.èWritïg êèreaction with ê ╙H
  333. ï ê reaction gives: 151 kJ + I╖(g) = 2I(g).èIncreasïg ê tempera-
  334. ture ç ê system stresses ê left-hå side ç ê reaction by raisïg
  335. ê energy term.èThe system will shift ë ê right ï order ë remove
  336. energy.èThe shift causes more moles ç I ë be formed at ê expense ç
  337. ê I╖.èThe concentrations ç ê reactants decreases, å ê concen-
  338. tration ç ê product ïcreases.èThe value ç K╦ ïcreases.èThe num-
  339. ber ç moles ç I will ïcrease at equilibrium.
  340. Ç A
  341.  12èWhat is ê effect ç decreasïg ê temperature ç ê 
  342. followïg equilibrium: CO(g) + H╖O(g) = H╖(g) + CO╖(g), ╙H = -41.2 kJ?
  343.  
  344. A) The value ç K╦ decreases.
  345. B) The numbers ç moles ç CO, H╖O, H╖, å CO╖ decreases.
  346. C) The number ç moles ç CO will ïcrease.
  347. D) The number ç moles ç H╖ will ïcrease.
  348. üèThis reaction is exoêrmic.èWritïg êèreaction with ê ╙H
  349. ï ê reaction gives: CO(g) + H╖O(g) = H╖(g) + CO╖(g) + 41.2 kJ.
  350. Decreasïg ê temperature ç ê system stresses ê right-hå side ç
  351. ê reaction by lowerïg ê energy term.èThe system will shift ë ê
  352. right ï order ë provide ê energy that is beïg removed.èThe shift
  353. causes more moles ç H╖ å CO╖ ë be formed at ê expense ç ê CO å
  354. H╖O.èThe concentrations ç ê reactants decreases, å ê concen-
  355. tration ç ê product ïcreases.èThe value ç K╦ ïcreases as ê tem-
  356. perature drops.èThe number ç moles ç H╖ will ïcrease at equilibrium.
  357. Ç D
  358.  
  359.  
  360.