Zadania maturalne z chemii – Procesy równowagowe – liceum

2022 VI / Zadanie 5.
Ważnym etapem produkcji kwasu siarkowego(VI) jest katalityczne utlenianie tlenku siarki(IV) do tlenku siarki(VI) opisane równaniem:
2SO_2(g) + O_2(g) —^{katalizator, T}→ 2SO_3(g)   
W tabeli podane są wartości stałej równowagi tej reakcji w wybranych temperaturach.

^{Na podstawie: Z. Sarbak, Reakcje i procesy katalityczne, „LAB. Laboratoria. Aparatura. Badania”, nr 6, Katowice 2010.}
Na poniższym wykresie przedstawiono zmiany stężenia molowego reagentów w trakcie opisanej reakcji prowadzonej w dwóch różnych temperaturach T₁ i T₂. Zmiana temperatury z T₁ do T₂ nastąpiła po ustaleniu się stanu równowagi w momencie zaznaczonym przerywaną linią i oznaczonym jako t_a.

Zadanie 5.1. (0–1)
Rozstrzygnij, czy w momencie t_A nastąpiło podwyższenie, czy – obniżenie temperatury. Odpowiedź uzasadnij. W uzasadnieniu uwzględnij efekt energetyczny opisanej reakcji.
Rozstrzygnięcie: ..............................
Uzasadnienie: .................................
Zadanie 5.2. (0–1)
Na poniższych wykresach przedstawiono zmiany stężenia reagenta do ustalenia stanu równowagi. Na wykresie 1. powtórzono z poprzedniego wykresu  krzywą ilustrującą zmianę stężenia molowego SO₃ w temperaturze T₁ – od momentu zapoczątkowania reakcji do momentu zmiany temperatury na T₂. Obok przedstawiono wykresy 2. i 3. Osie na wykresach 1.–3. są wyskalowane tak samo.

Wybierz wykres (2. albo 3.), który może odpowiadać reakcji utleniania SO₂ do SO₃ w temperaturze T₁ prowadzonej bez udziału katalizatora, i napisz jego numer. Wybór uzasadnij.
Numer wykresu: .............................................
Uzasadnienie: ................................................

2019 N / Zadanie 2. (0–1)

Poniższy diagram fazowy tlenku węgla(IV) przedstawia wartości temperatury i ciśnienia, w których CO₂ występuje w różnych fazach: w stanie stałym, ciekłym lub gazowym. Linie ciągłe określają warunki temperatury i ciśnienia, w których istnieje trwała równowaga między dwiema fazami. W punkcie oznaczonym symbolem P₃ (T = 216 K i p = 5100 hPa) CO₂ występuje w trzech fazach znajdujących się w stanie równowagi.

^{Na podstawie: K. Pigoń, Z. Ruziewicz, Chemia fizyczna. Podstawy fenomenologiczne, Warszawa 2007.}

Oceń, czy podane poniżej informacje są prawdziwe. Zaznacz P, jeśli informacja jest prawdziwa, albo F – jeśli jest fałszywa.
1. Pod ciśnieniem wyższym od 5100 hPa tlenek węgla(IV) nie występuje w ciekłym stanie skupienia.     P F
2. W temperaturze 195 K i pod ciśnieniem 1013 hPa stały tlenek węgla(IV) może ulegać sublimacji.    P F
3. Zmianę wartości temperatury topnienia tlenku węgla(IV) w zależności od ciśnienia ilustruje krzywa oznaczona numerem 2.    P F

2019 N / Zadanie 8. (0–2)
W zamkniętym reaktorze o pojemności 1 dm³ znajdowały się gazowe substancje A i B zmieszane w stosunku stechiometrycznym. Reagenty ogrzano do temperatury T i zainicjowano reakcję przebiegającą zgodnie z poniższym schematem.
A _(g) + 2B _(g) ⇄ 3C _(g) + D _(g) 
Przez jedną minutę, co 10 sekund, oznaczano liczbę moli substancji A w mieszaninie reakcyjnej. Wyniki zestawiono w poniższej tabeli.

Uzupełnij poniższą tabelę, a następnie narysuj wykres przedstawiający zależność stężenia substancji C od czasu trwania reakcji, czyli w przedziale <0s , 60s>.

2019 N / Zadanie 6. (0–1)
W przemyśle wodór można otrzymać w procesie konwersji metanu będącego głównym składnikiem gazu ziemnego. W mieszaninie gazu ziemnego i pary wodnej w pewnej temperaturze T i w obecności katalizatora niklowego zachodzą m.in. reakcje opisane poniższymi równaniami.
I CH_{4 (g)} + H₂O _(g) ⇄ CO _(g) + 3H_{2 (g)}
II CH_{4 (g)} + 2H₂O _(g) ⇄ CO_{2 (g)} + 4H_{2 (g)}
^{Na podstawie: A. Bielański, Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 2004.}
Oceń, czy podane poniżej informacje są prawdziwe. Zaznacz P, jeśli informacja jest prawdziwa, albo F – jeśli jest fałszywa.
1. Obniżenie ciśnienia w warunkach izotermicznych (T = const) w reaktorze skutkuje wzrostem wydajności otrzymywania wodoru w reakcjach I i II.    P F
2. Wzbogacenie gazu ziemnego metanem skutkuje spadkiem wydajności otrzymywania wodoru w reakcjach I i II.    P F
3. Gdy do mieszaniny reakcyjnej w stanie równowagi wprowadzi się katalizator   niklowy, to nastąpi wzrost wydajności otrzymywania wodoru w reakcjach I i II.   P F

2019 N / Zadanie 7. (0–2)
W reaktorze o stałej pojemności znajdowały się tlenek węgla(II) i para wodna zmieszane w stosunku masowym 1 : 1, a sumaryczna liczba moli tych reagentów była równa 20.
Stężeniowa stała równowagi reakcji
CO _(g) + H₂O _(g) ⇄ CO_{2 (g)} + H_{2 (g)}
w warunkach prowadzenia procesu wynosi 1.

Oblicz, ile moli wodoru znajdowało się w reaktorze po osiągnięciu stanu równowagi przez układ.

2019 S / Zadanie 14. (1 pkt)
Tlenek azotu(II) można otrzymać w łuku elektrycznym w wyniku endotermicznej reakcji odwracalnej zilustrowanej poniższym równaniem.
N_{2 (g)} + O_{2 (g)} ⇄ 2NO _(g)
Uzupełnij zdania wyrażeniami wybranymi spośród podanych poniżej.
zmaleje wzrośnie nie ulegnie zmianie

Jeśli w układzie będącym w stanie równowagi nastąpi wzrost temperatury, to wartość stałej równowagi opisanej reakcji ........................
Jeśli w układzie będącym w stanie równowagi nastąpi wzrost ciśnienia (T=const), to wydajność opisanej reakcji ..................................
Jeśli do układu będącego w stanie równowagi wprowadzi się katalizator, to ilość NO w układzie ................................................ .
Jeśli z układu będącego w stanie równowagi usunie się część azotu, to ilość tlenu w układzie ................................................

2019 VI N / Zadanie 4. (0–2)
Stężeniowa stała równowagi reakcji
CO_(g) + H₂O_(g) ⇄ CO_2(g) + H_2(g)  
w temperaturze 1000 K jest równa 1.
^{Na podstawie: J. Sawicka, A. Janich-Kilian, W. Cejner-Mania, G. Urbańczyk, Tablice chemiczne, Gdańsk 2001.}
W reaktorze o stałej pojemności znajdowało się 6 moli tlenku węgla(II).
Oblicz, ile moli wody (w postaci pary wodnej) należy wprowadzić do reaktora, aby po ustaleniu się równowagi w temperaturze 1000 K liczba moli wodoru była dwa razy większa od liczby moli tlenku węgla(II).

2020 N / Zadanie 12. (0–2)
Do zbiornika, z którego wypompowano powietrze, wprowadzono tlenek azotu(IV) o wzorze NO₂ i po zamknięciu utrzymywano temperaturę 25 °C do momentu osiągnięcia przez układ stanu równowagi opisanej poniższym równaniem:
2NO₂ ⇄ N₂O₄ ΔH < 0
Zmiany stężenia obu reagentów przedstawiono na poniższym wykresie.

^{Na podstawie: J. McMurry, R. Fay, Chemistry, Upper Saddle River 2001.}

Oblicz stężeniową stałą równowagi opisanej reakcji w temperaturze 25 °C oraz uzupełnij zdanie – wybierz i podkreśl jedną odpowiedź spośród podanych w nawiasie.

Stężeniowa stała równowagi opisanej reakcji w temperaturze wyższej niż 25 °C jest (mniejsza niż / większa niż / taka sama jak) stężeniowa stała równowagi tej reakcji
w temperaturze 25 °C.

2020 S / Zadanie 9. (2 pkt)
Reakcja tlenku siarki(IV) z tlenem przebiega zgodnie z równaniem:
2SO_2(g) + O_2(g) ← ^V₂O₅ → 2SO_3(g)     ΔH= –98,98 kJ·mol⁻¹  
Reakcję prowadzi się w temperaturze 650K–850K w obecności katalizatora. W tej temperaturze wszystkie reagenty są gazami.
^{Na podstawie: A. Bielański, Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 2010.}

Uzupełnij poniższe zdania – wybierz i podkreśl jedną odpowiedź spośród podanych w nawiasie.
1. W warunkach izotermicznych wydajność reakcji tlenku siarki(IV) z tlenem (nie zależy / zależy) od ciśnienia panującego w reaktorze.
2. W warunkach izobarycznych podwyższenie temperatury, w której prowadzona jest reakcja tlenku siarki(IV) z tlenem, poskutkuje (spadkiem / wzrostem) wydajności reakcji tworzenia tlenku siarki(VI).
3. W warunkach izobarycznych podwyższenie temperatury, w której prowadzona jest reakcja tlenku siarki(IV) z tlenem, poskutkuje (spadkiem / wzrostem) szybkości reakcji tworzenia tlenku siarki(VI).

2020 S / Zadanie 10. (2 pkt)
W temperaturze 1000 K przeprowadzono reakcję opisaną równaniem:
CO_(g) + H₂O_(g) ⇄ CO_2(g) + H_2(g)   
Mieszaninę zawierającą 2,00 mole tlenku węgla(II) i 8,00 moli pary wodnej umieszczono w reaktorze o stałej pojemności równej 1 dm³ i zainicjowano reakcję, przy czym utrzymywano temperaturę 1000K. Po ustaleniu się równowagi stwierdzono, że powstało 1,68 mola tlenku węgla(IV).

Oblicz stężeniową stałą równowagi opisanej reakcji w temperaturze 1000 K.