1) Почему костёр разжигают с помощью бумаги и небольших щепочек, а не из крупных поленьев? Почему угли, когда на них дуют, не гаснут, а, наоборот, разгораются?

2) Сформулируйте принцип Ле Шателье. Рассмотрите влияние каждого фактора (температуры, давления, концентрации веществ) на смещение химического равновесия реакции, описываемой уравнением N₂ + O₂ ⇌ 2NO - Q.

1) Почему костёр разжигают бумагой и щепками? Почему угли разгораются при обдувании?

Крупные поленья трудно поджечь сразу, потому что для начала горения древесину необходимо нагреть до температуры воспламенения. У большого полена относительно небольшая площадь поверхности по сравнению с его массой, поэтому оно медленно нагревается и соприкасается с кислородом воздуха только наружным слоем. Тепло от спички или зажигалки быстро рассеивается в толще полена, и требуемая температура обычно не достигается.

Бумага и мелкие сухие щепки имеют небольшую массу и большую площадь поверхности. Поэтому они:

• быстро нагреваются;

• легко достигают температуры воспламенения;

• хорошо соприкасаются с кислородом воздуха;

• при горении выделяют достаточно теплоты, чтобы постепенно нагреть более крупные куски древесины.

Таким образом, костёр разжигают поэтапно: сначала поджигают бумагу, от неё воспламеняются тонкие щепки, затем более крупные ветки и только после этого — поленья.

Когда на раскалённые угли дуют, к ним поступает больше свежего воздуха, а значит, увеличивается концентрация кислорода возле их поверхности. Кислород является одним из реагентов реакции горения углерода:

При недостатке кислорода возможно образование угарного газа:

Увеличение притока кислорода ускоряет реакции окисления. За единицу времени выделяется больше теплоты, температура углей повышается, и они начинают светиться ярче и гореть интенсивнее. Кроме того, поток воздуха удаляет от поверхности углей углекислый газ и другие продукты горения, которые затрудняют доступ кислорода.

Однако слишком сильный или холодный поток воздуха способен унести много теплоты и погасить слабое пламя. Поэтому раздувание помогает прежде всего тогда, когда угли уже достаточно раскалены.

2) Принцип Ле Шателье и равновесие реакции

Запись «−Q» означает, что прямая реакция образования оксида азота является эндотермической, то есть протекает с поглощением теплоты. Её можно представить так:

Принцип Ле Шателье: если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказать внешнее воздействие — изменить температуру, давление или концентрацию какого-либо вещества, — равновесие смещается в сторону реакции, ослабляющей это воздействие.

Влияние температуры

Прямая реакция идёт с поглощением теплоты, поэтому теплоту можно условно считать одним из исходных веществ.

При повышении температуры в систему поступает дополнительная теплота. Равновесие смещается в сторону её поглощения, то есть вправо:

Выход оксида азота NO увеличивается.

При понижении температуры равновесие смещается в сторону реакции, при которой теплота выделяется, то есть влево:

Количество NO уменьшается.

Следовательно:

• повышение температуры смещает равновесие вправо;

• понижение температуры смещает равновесие влево.

Влияние давления

Давление влияет на равновесие газовых реакций только тогда, когда общее количество молей газообразных веществ в левой и правой частях уравнения различно.

В данной реакции слева находятся два моля газа:

а справа также два моля газа:

Таким образом, количество газообразных частиц в обеих частях уравнения одинаково. Поэтому изменение давления не вызывает смещения химического равновесия.

• повышение давления не смещает равновесие;

• понижение давления также не смещает равновесие.

При этом изменение давления может повлиять на скорость достижения равновесия, но не изменяет равновесное соотношение веществ при постоянной температуре.

Влияние концентрации азота

При увеличении концентрации $\mathrm{N_2}$ система стремится расходовать добавленный азот. Равновесие смещается вправо, в сторону образования NO.

При уменьшении концентрации $\mathrm{N_2}$ равновесие смещается влево, в сторону образования азота.

Влияние концентрации кислорода

При увеличении концентрации $\mathrm{O_2}$ равновесие смещается вправо, поскольку система стремится израсходовать добавленный кислород.

При уменьшении концентрации $\mathrm{O_2}$ равновесие смещается влево.

Влияние концентрации оксида азота

При увеличении концентрации продукта реакции — $\mathrm{NO}$ — система стремится уменьшить его количество. Поэтому равновесие смещается влево, в сторону образования $\mathrm{N_2}$ и $\mathrm{O_2}$.

Если удалять NO из системы, его концентрация уменьшается, и равновесие смещается вправо, восполняя недостаток продукта.

Итог для реакции:

• повышение температуры — смещение вправо;

• понижение температуры — смещение влево;

• изменение давления — равновесие не смещается;

• увеличение концентрации $\mathrm{N_2}$ или $\mathrm{O_2}$ — смещение вправо;

• уменьшение концентрации $\mathrm{N_2}$ или $\mathrm{O_2}$ — смещение влево;

• увеличение концентрации NO — смещение влево;

• удаление NO — смещение вправо.