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

Как же следует объяснить результаты проведенного опыта? Здесь, по-видимому, нужно вспомнить, что с увеличением давления растет число столкновений частиц газа со стенками сосуда, в котором находится газообразное вещество. Чем больше частиц, тем больше столкновений. Но при синтезе аммиака, как известно, из 1 молекулы азота и 3 молекул водорода образуется 2 молекулы аммиака, т.е. число частиц в системе уменьшается в 2 раза. Увеличение давления равносильно как бы увеличению числа частиц в системе. Для восстановления равновесия число частиц в системе должно уменьшаться, а это возможно при условии смещения равновесия в сторону синтеза аммиака (см. рис.3). Таким образом, система как бы противодействует оказываемому внешнему воздействию.

Рассмотренное выше объяснение можно проиллюстрировать на экране монитора с помощью мультфильма. Предположим, что синтез аммиака протекает в сосуде с поршнем (рис. 4а). Чтобы повысить давление в системе, нужно опустить поршень вниз. Объем, в котором находилась система, уменьшается.

Рис. 4.

Модельная демонстрация влияния давления на смещение равновесия в системе N2 + 3H2 2NH3.

После этого система самопроизвольно будет стремиться к восстановлению состояния равновесия уже в меньшем объеме, что достигается в результате смещения равновесия в сторону синтеза аммиака, когда из четырех молей смеси азота и водорода образуется два моля аммиака (рис. 4б). Таким образом, уменьшение объема в результате смещения равновесия снижает давление, т.е. ослабляет внешнее воздействие.

Рисунок 4 отражает начальное и конечное состояния системы, тогда как на экране монитора учащиеся наблюдают весь процесс в динамике, что значительно облегчает восприятие изучаемого материала.

И, наконец, посмотрим, как влияет изменение температуры. Как и в случае с давлением, после команды учителя с клавиатуры компьютера на повышение температуры, учащиеся наблюдают на экране монитора динамику построения гистограммы (рис.5) в процессе установления равновесия при каждом последующем повышении температуры и рисунка 6 после достижения состояния равновесия.

Как видно из рисунков 5 и 6, при повышении температуры молярная доля аммиака уменьшается, а водорода и азота - увеличивается, т.е. равновесие смещается в сторону разложения аммиака.

Здесь следует обратить внимание учеников на то, что реакция синтеза аммиака является экзотермической, т.е. сопровождается выделением тепла (рис.7б). Таким образом, по аналогии с предыдущими случаями, для самопроизвольного восстановления равновесия в системе, с повышением температуры должна протекать эндотермическая реакция, при которой этот избыток тепла (Q* - теплота, излучаемая горелкой или другим нагревательным прибором) компенсируется, т.е. поглощается в ходе реакции разложения аммиака (рис.7в). Снова мы приходим к выводу, что при внешнем воздействии в равновесной системе будет протекать такой процесс, который ослабляет это воздействие.

Рис. 7.

Модельная демонстрация влияния температуры на смещение равновесия в системе N2 + 3H2 2NH3 + Q.

Как и в предыдущих случаях на рисунке 7 представлена система в исходном и в конечном состояниях, тогда как учащиеся наблюдают весь процесс на экране монитора в динамике.

После того, как учащиеся рассмотрели все примеры внешнего воздействия на химическую реакцию получения аммиака (химическую систему), они могут самостоятельно сформулировать принцип смещения равновесия Ле Шателье.