Этот урок проведём на экскурсии 11-классников на аммиачный завод в Сумгайыте: в автобусе открывают бутылку минеральной воды, во дворе завода работает колонна синтеза, в лаборатории ампулы с NO₂ меняют окраску в горячей и ледяной воде. За всеми тремя событиями стоит химическое равновесие. Научимся рассчитывать равновесные концентрации и константу, смещать равновесие по принципу Ле Шателье и решим задания ГЭЦ.
≈ 45 минутГлав: 5Заданий ГЭЦ: 6материал 8–11 классовОктябрьское утро. Ученики 11 класса едут на автобусе в Сумгайыт на экскурсию на завод, производящий аммиак и карбамид. В дороге один из учеников достаёт бутылку минеральной воды. Пока бутылка закрыта, вода спокойна — ни одного пузырька. Стоит открутить крышку — раздаётся «пшш», вода наполняется пузырьками и пенится.
В минеральной воде растворён углекислый газ: CO₂(г) + H₂O ⇄ H₂CO₃. В закрытой бутылке пузырьков нет — значит, CO₂ не растворяется и не выделяется? Или там происходит что-то «скрытое»?
При открытии крышки поднимаются пузырьки; в круге молекулы CO₂ переходят из воды в газ и обратно.Сначала предположиКак ты думаешь, что происходит в закрытой бутылке? Ответ увидим в анимации 1-й главы.
В этом уроке изучим обратимые реакции, химическое равновесие, равновесные концентрации и константу равновесия и научимся «управлять» равновесием по принципу Ле Шателье. На заводе увидим, что миллионы тонн аммиака производят именно по этому принципу.
Глава 1Одни реакции практически до конца идут в одном направлении — это необратимые реакции: при образовании осадка, газа или малодиссоциирующего вещества (воды), при горении. Например, AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃. Другие при тех же условиях идут и в прямом, и в обратном направлении — это обратимые реакции, их записывают двумя полустрелками: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃, H₂ + I₂ ⇄ 2HI.
Анимация · прямая и обратная реакцияСначала есть только A: прямая реакция быстрая, обратной нет. По мере расхода A прямая реакция замедляется, по мере накопления B обратная ускоряется. Когда скорости сравниваются, концентрации больше не меняются — но частицы продолжают превращаться.Химическое равновесиеХимическое равновесие — состояние обратимой реакции, при котором скорости прямой и обратной реакций равны: v(прям.) = v(обр.). Равновесие динамическое: обе реакции продолжаются, но концентрации веществ остаются постоянными. Эти концентрации называют равновесными и записывают в квадратных скобках: [NH₃]. Равновесие сохраняется, пока не меняются условия (концентрация, температура, давление).
ИсторияВопрос из автобуса. В закрытой бутылке между газом и водой динамическое равновесие: CO₂(г) ⇄ CO₂(р-р). Сколько молекул CO₂ за секунду переходит из воды в газ, столько же возвращается обратно — поэтому пузырьков не видно. При открытии крышки газ выходит из бутылки, давление CO₂ над водой резко падает, и равновесие нарушается: выделение идёт гораздо быстрее растворения — вода пенится. Как смещается равновесие, узнаем в главах 4 и 5.
Пример 1Какая реакция практически необратима: а) N₂ + O₂ ⇄ 2NO; б) BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl; в) H₂ + I₂ ⇄ 2HI?
Если продукт уходит из реакционной среды, обратная реакция не идёт.
В равновесии A ⇄ B каждую секунду 0,04 моль/л A превращается в B. Сколько моль/л B каждую секунду превращается в A?
В равновесии скорости прямой и обратной реакций равны.
Глава 2Для расчёта равновесных концентраций удобно строить таблицу из трёх строк: исходная концентрация, израсходованная или образовавшаяся, равновесная. Израсходованные и образовавшиеся количества всегда относятся как коэффициенты уравнения.
Анимация · исходные → равновесиеКогда в реакцию вступает 1 моль/л азота, по уравнению расходуется 3 моль/л водорода и образуется 2 моль/л аммиака: в равновесии [N₂] = 4, [H₂] = 1, [NH₃] = 2 моль/л.Равновесные концентрацииДля исходного вещества: [ ]равн = c(исх.) − c(израсх.); для продукта: [ ]равн = c(исх.) + c(образ.). Израсходованные и образовавшиеся концентрации пропорциональны коэффициентам.
Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 01.06.2025Исходные концентрации азота и водорода соответственно 5 моль/л и 4 моль/л. Если в реакцию вступит 1 моль/л азота, какими будут концентрации этих веществ (моль/л) в этот момент?
В вариантах первое число — концентрация N₂, второе — H₂ (в оригинале столбцы: N₂ | H₂).
N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃исх.: 5 4израсх.: 1 3равн.: 4 1A) 4 | 1B) 0,5 | 2,5C) 1,5 | 1,5D) 1 | 2,5E) 4 | 3Отношение коэффициентов 1 : 3 — на 1 моль/л азота приходится 3 моль/л водорода.
Эти сокращения часто встречаются в пояснениях ГЭЦ.
N₂ + 3H₂ ↔ 2NH₃1 моль3 моль исх. 5 4 израсх. 1 3 равн. 5 – 1 = 4 4 – 3 = 1Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 01.06.2025, I группа специальностей (PDF)Пример 2
В реакции H₂ + I₂ ⇄ 2HI исходные концентрации водорода и иода 0,5 моль/л. В равновесии [HI] = 0,8 моль/л. Чему равны [H₂] и [I₂]?
Коэффициенты 1 : 1 : 2 — по половине от HI.
2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃: вначале [SO₂] = 3, [O₂] = 2 моль/л, SO₃ нет. В равновесии [SO₃] = 2 моль/л. Чему равна равновесная [O₂]?
На 2 моль/л SO₃ расходуется 1 моль/л O₂.
Глава 3Приезжают на завод. Во дворе возвышается высокая колонна синтеза: в ней при 450 °C и 200 атм на железном катализаторе азот и водород превращаются в аммиак. Инженер говорит, что в газе на выходе из колонны никогда не бывает 100 % аммиака — реакция обратима и приходит к равновесию.
Анализатор показывает равновесные концентрации в модельной пробе: [N₂] = 1, [H₂] = 2, [NH₃] = 4 моль/л. Чему равна константа равновесия при этих условиях и какими были исходные концентрации азота и водорода (когда аммиака ещё не было)?
Над колонной синтеза поднимается пар, анализатор показывает состав пробы.Константа равновесияДля обратимой реакции aA + bB ⇄ cC + dD при постоянной температуре константа равновесияK = [C]ᶜ · [D]ᵈ / ([A]ᵃ · [B]ᵇ) — отношение произведения равновесных концентраций продуктов к произведению концентраций исходных веществ (каждая в степени коэффициента). Твёрдые вещества не записывают. K зависит только от температуры и природы реакции, а не от концентраций и катализатора. Если K велика (K ≫ 1), в равновесии преобладают продукты.
Анимация · разные начала — одна KВ первом опыте к равновесию приходим от реагентов, во втором — от продукта. Равновесные концентрации разные, но отношение [Z]/([X][Y]) в обоих — 0,5: это константа равновесия.ИсторияВопрос на заводе. K = [NH₃]² / ([N₂] · [H₂]³) = 4² / (1 · 2³) = 16 / 8 = 2. Исходные концентрации: на образование 4 моль/л NH₃ израсходовано 2 моль/л N₂ и 6 моль/л H₂, значит вначале было [N₂]₀ = 1 + 2 = 3 и [H₂]₀ = 2 + 6 = 8 моль/л. Газ на выходе охлаждают, аммиак сжижается и отделяется, а непрореагировавшие N₂ и H₂ возвращают в колонну.
Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 12.07.2026Если в момент равновесия реакции X ₍г₎ + Y ₍г₎ ⇄ Z ₍г₎ в сосуде всего 10 моль газов, вычислите значение константы равновесия реакции, протекающей в закрытом сосуде объёмом 1 литр.
Рисунок меняется вместе с шагами.A) 0,2B) 0,3C) 0,5D) 0,4E) 0,1Все коэффициенты равны 1, поэтому изменения одинаковы.
Общее число моль газов уменьшилось (14 → 10), так как из 2 моль газов получается 1 моль.
X ₍г₎ + Y ₍г₎ ⇄ Z ₍г₎ Из уравнения реакции видно, что мольные отношения вступающих и образующихся веществ одинаковы. То есть до момента равновесия с a моль X реагирует a моль Y и образуется a моль Z. В момент равновесия в сосуде 8 – a моль X , 6 – a моль Y и a моль газа Z. Учитывая, что сумма этих газов 10 моль, из выражения 8 – a + 6 – a + a = 10 получаем a = 4. K_T = C_Z / (C_X · C_Y)= 4 / (4 · 2) = 0,5Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 12.07.2026, IV группа специальностей (PDF)Проверь себя
В равновесии H₂ + I₂ ⇄ 2HI [H₂] = [I₂] = 0,1, [HI] = 0,8 моль/л. Вычислите константу равновесия.
K = 0,8² / (0,1 · 0,1).
Глава 4Если на систему, находящуюся в равновесии, оказать внешнее воздействие (изменить концентрацию, температуру или давление), равновесие смещается в сторону реакции, ослабляющей это воздействие. (А. Ле Шателье, 1884)
Для концентрации это звучит так: если добавить исходное вещество, система стремится его «израсходовать» — равновесие смещается вправо (к продуктам); если убрать продукт, система стремится его «восполнить» — снова вправо. Добавление продукта или удаление исходного вещества смещает равновесие влево.
Анимация · добавляем XПри добавлении X отношение [Z]/([X][Y]) падает до 0,25 — меньше K. Система расходует X и Y и образует Z, пока отношение снова не станет 0,5. «Перерабатывается» лишь часть добавленного X.Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 07.06.2026Как сместить равновесие реакции HCOOH(ж)+CH₃OH(ж) ⇄ HCOOCH₃(ж)+H₂O(ж) в сторону образования HCOOCH₃?1. Удалив муравьиную кислоту2. Добавив метанол3. Удалив HCOOCH₃4. Добавив воду
HCOOH + CH₃OH ⇄ HCOOCH₃ + H₂O+ CH₃OH → вправо ✓− HCOOCH₃ → вправо ✓− HCOOH, + H₂O → влево ✗A) 1, 3B) 2, 3C) 1, 4D) 2, 4E) 1, 2Этерификация обратима, поэтому на производстве кислоту или спирт берут в избытке, а эфир и воду выводят из системы.
В этом тестовом задании согласно принципу Ле Шателье для смещения реакции в сторону HCOOCH₃ нужно добавить метанол и вывести HCOOCH₃ из системы.Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 07.06.2026, I группа специальностей (PDF)Пример 3
К равновесию FeCl₃ + 3KSCN ⇄ Fe(SCN)₃ + 3KCl (кроваво-красный Fe(SCN)₃) добавили KCl. Как изменится окраска раствора?
Система стремится израсходовать добавленный продукт — ускоряется обратная реакция.
В равновесии X + Y ⇄ Z (K = 0,5) [X] = 4, [Y] = 2, [Z] = 4 моль/л. Каким станет отношение [Z]/([X][Y]) сразу после добавления 4 моль/л X?
4 / (8 · 2).
Глава 5В заводской лаборатории инженер показывает ученикам интересный опыт. В двух запаянных стеклянных ампулах бурый газ — оксид азота(IV) NO₂; он находится в равновесии с бесцветным N₂O₄: 2NO₂ ⇄ N₂O₄ + Q. Одну ампулу он опускает в горячую воду (80 °C), другую — в ледяную.
Через минуту газ в горячей воде становится тёмно-бурым, а в ледяной — почти бесцветным. Куда сместилось равновесие в каждой ампуле? И почему завод ведёт синтез аммиака не в более холодных условиях, а при 450 °C?
В горячей воде газ в ампуле темнеет, в ледяной бледнеет; в круге молекулы NO₂ соединяются в N₂O₄ и распадаются.Вопрос лаборатории. 2NO₂ ⇄ N₂O₄ + Q: прямая реакция экзотермическая. В горячей воде равновесие смещается в эндотермическую сторону — влево, бурого NO₂ становится больше, окраска темнеет. В ледяной — вправо, больше бесцветного N₂O₄. Синтез аммиака тоже экзотермический (N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ + 92 кДж), поэтому низкая температура повышает выход: при 200 атм и 300 °C в равновесии 66,7 % NH₃, а при 500 °C — всего 18,3 %. Но на холоде реакция идёт очень медленно, а железный катализатор хорошо работает лишь выше ~400 °C. Поэтому завод выбирает компромисс: 450 °C (достаточная скорость), высокое давление (200 атм — равновесие к NH₃, где меньше моль газа) и катализатор; аммиак охлаждают и отделяют, остаток газа возвращают в колонну.
В лаборатории меняй температуру и давление: как меняется доля аммиака в равновесии? (Таблица реальных измерений, N₂ : H₂ = 1 : 3.)
Лаборатория · синтез аммиака: T и pтемпература400 °CТак спрашивают на экзаменеГЭЦ · 13.07.2025Как нужно изменить температуру и давление в реакции N₂ + 3H₂ ⇔ 2NH₃ + Q, чтобы равновесие сместилось в сторону образования исходных веществ?
В вариантах первое слово относится к температуре, второе — к давлению (в оригинале столбцы: Температура | Давление).
N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ + Qt ↑ → влево (эндотермическая)p ↓ → влево (4 моль газа)A) повысить | повыситьB) понизить | повыситьC) понизить | понизитьD) не менять | повыситьE) повысить | понизитьРавновесие нужно сместить влево (к исходным веществам).
Внимание: в пояснении ГЭЦ написано, что «реакция влево … идёт при повышении давления» — это неточно: реакция влево увеличивает число моль газа и преобладает при понижении давления. Ответ не меняется.
Согласно принципу Ле Шателье при внешнем воздействии на систему, находящуюся в равновесии, химическое равновесие смещается в сторону ослабления этого воздействия. В данной обратимой реакции реакция, идущая влево, эндотермическая … Исходя из этого, в реакции N₂ + 3H₂ ⇔ 2NH₃ + Q для смещения равновесия в сторону образования исходных веществ нужно повысить температуру, давление понизить.Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 13.07.2025, IV группа специальностей (PDF)Проверь себя
В равновесии 2SO₂(г) + O₂(г) ⇄ 2SO₃(г) + Q повысили давление. Если равновесие сместится вправо, напиши 1, влево — 2, не сместится — 0.
Слева 3 моль газа, справа 2 моль.
ПрактикумЭти задания взяты из экзаменов ГЭЦ. Сначала реши сам, затем открой «Ответ и пояснение ГЭЦ».
ГЭЦ · 12.07.2026Как сместить равновесие реакции HCOOC₂H₅ + H₂O ⇄ HCOOH + C₂H₅OH в сторону образования C₂H₅OH?I. Добавив H₂OII. Добавив HCOOHIII. Добавив HCOOC₂H₅IV. Удалив H₂O
A) II, IIIB) II, IVC) III, IVD) I, IIE) I, IIIОтвет и пояснение ГЭЦОтвет: I, III (вариант E).
HCOOC₂H₅ + H₂O ⇄ HCOOH + C₂H₅OH чтобы сместить равновесие реакции в сторону образования C₂H₅OH, по принципу Ле Шателье в систему нужно добавить вещества левой части — H₂O и HCOOC₂H₅Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 12.07.2026, I группа специальностей (PDF)ГЭЦ · 13.07.2025
Как изменится скорость химической реакции, если при повышении температуры время протекания реакции уменьшится в 3 раза?
A) не изменитсяB) уменьшится в 3 разаC) увеличится в 3 разаD) увеличится в 9 разE) уменьшится в 9 разОтвет и пояснение ГЭЦОтвет: увеличится в 3 раза (вариант C).
Как известно, υ_t₂ / υ_t₁ = τ₁ / τ₂ Поэтому если время протекания реакции уменьшится в 3 раза, скорость увеличится в 3 разаИсточник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 13.07.2025, I группа специальностей (PDF)Итоги
Равновесие динамическое: прямая и обратная реакции продолжаются с одинаковой скоростью.
«В равновесии концентрации исходных веществ и продуктов равны».Равны скорости, а концентрации могут быть любыми (например, 4, 1, 2 моль/л).
«Катализатор смещает равновесие в сторону продуктов».Катализатор одинаково ускоряет прямую и обратную реакции — равновесие не смещается.
«При повышении давления равновесие всегда смещается вправо».В сторону меньшего числа моль газа: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ — вправо, N₂O₄ ⇄ 2NO₂ — влево, H₂ + I₂ ⇄ 2HI — не смещается.
ИтогиЗадания расположены от простых к сложным. Сначала реши сам, потом выбери вариант; пояснение откроется после ответа.
1 · Уровень 1Что равно в состоянии химического равновесия?
Определение равновесия: v(прям.) = v(обр.).
2 · Уровень 1Какой фактор не смещает равновесие?
Катализатор одинаково ускоряет прямую и обратную реакции.
3 · Уровень 2Как влияет повышение давления на равновесие H₂(г) + Cl₂(г) ⇄ 2HCl(г)?
С обеих сторон по 2 моль газа.
4 · Уровень 2Что нужно сделать, чтобы сместить вправо равновесие CaCO₃(тв) ⇄ CaO(тв) + CO₂(г) − Q?
Прямая реакция эндотермическая и даёт газ; количество твёрдого CaCO₃ на равновесие не влияет.
5 · Уровень ГЭЦ2A(г) ⇄ B(г): в равновесии [A] = 0,2, [B] = 0,4 моль/л. Чему равна константа равновесия?
K = 0,4 / 0,2² = 0,4 / 0,04 = 10.
6 · Уровень ГЭЦA + B ⇄ C: вначале [A] = [B] = 1 моль/л, в равновесии [C] = 0,5 моль/л. K = ?
[A] = [B] = 0,5; K = 0,5 / (0,5 · 0,5) = 2.
Экзаменационные задания и официальные пояснения — ГЭЦ (PDF на азербайджанском языке, в уроке — в переводе):
История, сцены, примеры, задания «Проверь себя» и «Самостоятельная работа» — наши, не из материалов ГЭЦ. Задания и пояснения ГЭЦ даны в переводе с азербайджанского; знак «…» обозначает пропущенную часть.