Хімічна рівновага. константа хімічної рівноваги

Більшість хімічних реакцій оборотні, тобто. протікають одночасно у протилежних напрямках. У тих випадках, коли пряма та зворотна реакції йдуть з однаковою швидкістю, настає хімічна рівновага. Наприклад, у оборотній гомогенній реакції: H 2 (г) + I 2 (г) ↔ 2HI(г) співвідношення швидкостей прямої та зворотної реакцій згідно із законом діючих мас залежить від співвідношення концентрацій реагуючих речовин, а саме: швидкість прямої реакції: υ 1 = k 1 [Н 2]. Швидкість зворотної реакції: 2 = k 2 2 .

Якщо H 2 і I 2 - вихідні речовини, то перший момент швидкість прямої реакції визначається їх початковими концентраціями, а швидкість зворотної реакції дорівнює нулю. У міру витрати H 2 і I 2 і утворення HI швидкість прямої реакції зменшується, а швидкість зворотної реакції зростає. Через деякий час обидві швидкості зрівнюються, й у системі встановлюється хімічна рівновага, тобто. число молекул, що утворюються і витрачаються, HI в одиницю часу стає однаковим.

Оскільки при хімічній рівновазі швидкості прямої та зворотної реакцій дорівнюють V 1 = V 2 , то k 1 = k 2 2 .

Оскільки k 1 і k 2 при цій температурі постійні, їх відношення буде постійним. Позначаючи його через K отримаємо:

К – називається константою хімічної рівноваги, а наведене рівняння – законом мас (Гульдберга - Ваалі).

У загальному випадкудля реакції виду аА+bB+…↔dD+eE+… константа рівноваги дорівнює . Для взаємодії між газоподібними речовинами часто користуються виразом, у якому реагенти представлені рівноважними парціальними тисками p. Для згаданої реакції .

Стан рівноваги характеризує ту межу, до якої в умовах реакція протікає мимовільно (∆G<0). Если в системе наступило химическое равновесие, то дальнейшее изменение изобарного потенциала происходить не будет, т.е. ∆G=0.

Співвідношення між рівноважними концентраціями залежить від цього, які речовини беруться як вихідних (наприклад, H 2 і I 2 чи HI), тобто. до стану рівноваги можна підійти з обох боків.

Константа хімічної рівноваги залежить від природи реагентів та від температури; від тиску (якщо воно надто високе) та від концентрації реагентів константа рівноваги не залежить.

Вплив на константу рівноваги температури, ентальпійного та ентропійного факторів. Константа рівноваги пов'язана із зміною стандартного ізобарно-ізотермічного потенціалу хімічної реакції∆G o простим рівнянням ∆G o =-RT ln K.

З нього видно, що більшим негативним значенням ∆G o (∆G o<<0) отвечают большие значения К, т.е. в равновесной смеси преобладают продукты взаимодействия. Если же ∆G o характеризуется большими положительными значениями (∆G o >>0), то рівноважної суміші переважають вихідні речовини. Зазначене рівняння дозволяє за величиною ∆G o обчислити К, а потім і рівноважні концентрації (парціальний тиск) реагентів. Якщо врахувати, що ∆G o =∆Н o -Т∆S o , то після деякого перетворення отримаємо . На цьому рівняння видно, що константа рівноваги дуже чутлива до зміни температури. Вплив на константу рівноваги природи реагентів визначає її залежність від ентальпійного та ентропійного факторів.

Принцип Ле Шательє

Стан хімічної рівноваги зберігається за даних постійних умов час. При зміні умов стан рівноваги порушується, тому що при цьому швидкості протилежних процесів змінюються в різній мірі. Однак через деякий час система знову приходить у стан рівноваги, але вже відповідає новим умовам, що змінилися.

Усунення рівноваги залежно від зміни умов у загальному вигляді визначається принципом Ле-Шательє (або принципом рухомої рівноваги): якщо на систему, що знаходиться в рівновазі, впливати ззовні шляхом зміни будь-якої з умов, що визначають положення рівноваги, воно зміщується в напрямку того процесу, протікання якого послаблює ефект виробленого впливу.

Так, підвищення температури викликає усунення рівноваги у напрямі того з процесів, протягом якого супроводжується поглинанням тепла, а зниження температури діє у протилежному напрямку. Подібно до цього підвищення тиску зміщує рівновагу в напрямку процесу, що супроводжується зменшенням обсягу, а зниження тиску діє в протилежний бік. Наприклад, у рівноважній системі 3Н 2 +N 2 2H 3 N, ∆H o = -46,2 кДж підвищення температури посилює розкладання H 3 N водень і азот, так як цей процес ендотермічний. Підвищення тиску зміщує рівновагу у бік освіти H 3 N, тому що при цьому зменшується обсяг.

Якщо систему, що у стані рівноваги, додати деяку кількість якогось із речовин, що у реакції (чи навпаки, видалити із системи), швидкості прямий і зворотної реакцій змінюються, але поступово знову зрівнюються. Іншими словами, система знову приходить до стану хімічної рівноваги. У цьому новому стані рівноважні концентрації всіх речовин, присутніх в системі, відрізнятимуться від початкових рівноважних концентрацій, але співвідношення між ними залишиться тим самим. Таким чином, у системі, яка перебуває у стані рівноваги, не можна змінити концентрацію однієї з речовин, не викликавши зміни концентрацій решти.

Відповідно до принципу Ле Шательє введення в рівноважну систему додаткових кількостей якогось реагенту викликає зсув рівноваги в тому напрямку, при якому концентрація цієї речовини зменшується і відповідно збільшується концентрація продуктів її взаємодії.

Вивчення хімічної рівноваги має значення як теоретичних досліджень, так вирішення практичних завдань. Визначаючи положення рівноваги щодо різних температур і тисків, можна вибрати найбільш сприятливі умови проведення хімічного процесу. При остаточному виборі умов проведення процесу враховують їх вплив на швидкість процесу.

приклад 1.Обчислення константи рівноваги реакції за рівноважними концентраціями реагуючих речовин.

Обчисліть константу рівноваги реакції А+В 2С, якщо рівноважні концентрації [А] = 0,3 моль · л -1; [В]=1,1моль∙л -1; [С]=2,1моль∙л -1 .

Рішення.Вираз константи рівноваги цієї реакції має вид: . Підставимо сюди вказані за умови завдання рівноважні концентрації: =5,79.

Приклад 2. Обчислення рівноважних концентрацій реагуючих речовин. Реакція протікає за рівнянням А+2С.

Визначте рівноважні концентрації речовин, що реагують, якщо вихідні концентрації речовин А і В відповідно дорівнюють 0,5 і 0,7 моль∙л -1 , а константа рівноваги реакції К р =50.

Рішення.На кожен моль речовин А і В утворюється 2 моль речовини С. Якщо зниження концентрації речовин А і позначити через Х моль, то збільшення концентрації речовини буде дорівнює 2Х моль. Рівноважні концентрації реагуючих речовин:

С А =(о,5-х)моль ∙л -1; С = (0,7-х)моль∙л -1 ; З З =2х моль∙л -1

х 1 = 0,86; х 2 = 0,44

За умовою завдання справедливе значення х 2 . Звідси рівноважні концентрації речовин, що реагують, рівні:

С А = 0,5-0,44 = 0,06 моль ? л -1; З В = 0,7-0,44 = 0,26 моль∙л -1; З =0,44∙2=0,88моль∙л -1 .

приклад 3.Визначення зміни енергії Гіббса ∆G o реакції за значенням константи рівноваги К р. Розрахуйте енергію Гіббса та визначте можливість перебігу реакції СО+Cl 2 =COCl 2 при 700К, якщо константа рівноваги дорівнює Кр=1,0685∙10 -4 . Парціальний тиск всіх реагуючих речовин однаковий і дорівнює 101325Па.

Рішення.∆G 700 =2,303∙RT .

Для цього процесу:

Оскільки ∆Gо<0, то реакция СО+Cl 2 COCl 2 при 700К возможна.

Приклад 4. Усунення хімічної рівноваги. У якому напрямку зміститься рівновага в системі N 2 +3H 2 2NH 3 -22ккал:

а) зі збільшенням концентрації N 2 ;

б) зі збільшенням концентрації Н 2 ;

в) у разі підвищення температури;

г) при зменшенні тиску?

Рішення.Збільшення концентрації речовин, які у лівої частини рівняння реакції, за правилом Ле-Шателье має викликати процес, прагне послабити наданий вплив, призвести до зменшення концентрацій, тобто. рівновага зміститься вправо (випадки а та б).

Реакція синтезу аміаку – екзотермічна. Підвищення температури викликає усунення рівноваги вліво - у бік ендотермічної реакції, що послаблює вказану дію (випадок в).

Зменшення тиску (випадок р) сприятиме реакції, яка веде збільшення обсягу системи, тобто. у бік освіти N 2 та Н 2 .

Приклад 5.У скільки разів зміниться швидкість прямої та зворотної реакції в системі 2SO 2 (г) + Про 2 (г) 2SO 3 (r) якщо об'єм газової суміші зменшиться втричі? В який бік зміститься рівновага системи?

Рішення.Позначимо концентрації реагуючих речовин: = а, =b,=с.Відповідно до закону чинних мас, швидкості прямої та зворотної реакцій до зміни обсягу рівні

v пр = Ка 2 b, v обр = К 1 з 2

Після зменшення обсягу гомогенної системи втричі концентрація кожної з реагуючих речовин збільшиться втричі: = 3а,[Про 2] = 3b; = 3с.При нових концентраціях швидкості v" np прямої та зворотної реакцій:

v" np = K(3a) 2 (3b) = 27 Ka 2 b; v o 6 p = K 1 (3c) 2 = 9K 1 c 2 .

;

Отже, швидкість прямої реакції збільшилася у 27 разів, а зворотної – лише у дев'ять разів. Рівновага системи змістилося у бік освіти SO 3 .

Приклад 6.Обчисліть, у скільки разів збільшиться швидкість реакції, що протікає в газовій фазі, при підвищенні температури від 30 до 70 0 С, якщо коефіцієнт температури температури дорівнює 2.

Рішення.Залежність швидкості хімічної реакції від температури визначається емпіричним правилом Вант-Гоффа за формулою

Отже, швидкість реакції при 70°З більшої швидкості реакції при 30°С у 16 ​​разів.

Приклад 7.Константа рівноваги гомогенної системи

СО(г) + Н 2 О(г) СО 2 (г) + Н 2 (г) за 850°С дорівнює 1. Обчисліть концентрації всіх речовин при рівновазі, якщо вихідні концентрації: [ЗІ] ІСХ = 3 моль/л, [Н 2 Про] ІСХ = 2 моль/л.

Рішення.При рівновазі швидкості прямої та зворотної реакцій рівні, а відношення констант цих швидкостей постійно називається константою рівноваги даної системи:

V np = До 1[ЗІ][Н 2 Про]; V o б p = До 2 [З 2] [Н 2];

За умови завдання дано вихідні концентрації, тоді як у вираз До рвходять лише рівноважні концентрації всіх речовин системи. Припустимо, що на момент рівноваги концентрація [СО 2 ] Р = хмоль/л. Відповідно до рівняння системи кількість молей водню, що утворився, при цьому буде також хмоль/л. За стільки ж молей (хмоль/л) СО і Н 2 Про витрачається для освіти хмолей СО 2 та Н 2 . Отже, рівноважні концентрації всіх чотирьох речовин (моль/л):

[З 2 ] Р = [Н 2 ] р = х;[ЗІ] Р = (3-х); P = (2-х).

Знаючи константу рівноваги, знаходимо значення х,а потім вихідні концентрації всіх речовин:

; х 2 = 6-2х-3х + х 2; 5х = 6, л = 1,2 моль/л.

Завдання 135.
Обчисліть константу рівноваги для гомогенної системи

якщо рівновага концентрації реагуючих речовин (моли/л):
[ЗІ] Р = 0,004; [Н 2 Про] Р = 0,064; [З 2 ] Р = 0,016; [Н 2] р = 0,016,
Чому рівні вихідні концентрації води та СО? Відповідь: К = 1; вих = 0,08 моль/л; [ЗІ] вих =0, 02 моль/л.
Рішення:
Рівняння реакції має вигляд:

СО (г) + Н 2 О (г)  СО 2 (г) + Н2 (г)

Константа рівняння цієї реакції має вираз:

Для знаходження вихідних концентрацій речовин Н 2 Про і СО врахуємо, що відповідно до рівняння реакції з 1 моль СО і 1 моль Н 2 Про утворюється 1 моль 2 і 1 моль Н 2 . Оскільки за умовою завдання в кожному літрі системи утворилося 0,016 моль 2 і 0,016 моль Н 2 , то при цьому було витрачено по 0,016 моль СО і Н 2 О. Таким чином, шукані вихідні концентрації рівні:

Вих = [Н 2 Про] Р + 0,016 = 0,004 + 0,016 = 0,02 моль/л;
[ЗІ] вих = [ЗІ] Р + 0,016 = 0,064 + 0,016 = 0,08 моль/л.

Відповідь:Кp = 1; вих = 0,08 моль/л; [ЗІ] вих =0, 02 моль/л.

Завдання 136.
Константа рівноваги гомогенної системи

при певній температурі дорівнює 1. Обчисліть рівноважні концентрації всіх речовин, що реагують, якщо вихідні концентрації рівні (моли/л): [ЗІ] вих = 0,10; [Н 2 Про] вих = 0,40.
Відповідь: [СО 2] Р = [Н 2] Р = 0,08; [СO] P = 0,02; [Н 2 O] P = 0,32.
Рішення:
Рівняння реакції має вигляд:

СО (г) + Н 2 О (г)  СО 2 (г) + Н 2 (г)

При рівновазі швидкості прямої та зворотної реакцій рівні, а відношення констант цих швидкостей постійно називається константою рівноваги даної системи:

Позначаємо за х моль/л рівноважну концентрацію одного з продуктів реакції, тоді рівноважна концентрація іншого буде також х моль/л, оскільки вони обидва утворюються в однаковій кількості. Рівноважні концентрації вихідних речовин:
[ЗІ] вих = 0,10 - х моль / л; [Н 2 Про] вих = 0,40 - х моль/л. (оскільки на утворення х моль/л продукту реакції витрачається відповідно по х моль/л СО і Н 2 О. У момент рівноваги концентрація всіх речовин буде (моль/л): [СО 2 ] Р = [Н 2 ] Р = х [СO] P = 0,10 - х;[Н 2 O] P = 0,4 - х.

Підставляємо ці значення вираз константи рівноваги:

Вирішуючи рівняння, знаходимо х = 0,08. Звідси рівновага концентрації (моль/л):

[З 2] Р = [Н 2] Р = х = 0,08 моль/л;
[Н 2 O] P = 0,4 - х = 0,4 - 0.08 = 0,32 моль/л;
[СO] P = 0,10 - х = 0,10 - 0,08 = 0,02 моль/л.

Завдання 137.

Константа рівноваги гомогенної системи N 2 + ЗН 2 = 2NH 3 за певної температури дорівнює 0,1. Рівноважні концентрації водню та аміаку відповідно дорівнюють 0,2 та 0,08 моль/л. Обчисліть рівноважну та вихідну концентрації азоту. Відповідь: P = 8 мол/л; вих = 8,04 моль/л.
Рішення:
Рівняння реакції має вигляд:

N 2 + ДТ 2 = 2NH 3

Позначимо рівноважну концентрацію N2 через хмоль/л. Вираз константи рівноваги даної реакції має вигляд:

Підставимо у вираз константи рівноваги дані завдання та знайдемо концентрацію N 2

Для знаходження вихідної концентрації N 2 врахуємо, що, відповідно до рівняння реакції на освіту 1 моль NH 3 витрачається ½ моль N 2 . Оскільки за умовою завдання у кожному літрі системи утворилося 0,08 моль NH 3 , то при цьому було витрачено 0,08 . 1/2 = 0,04 моль N 2 . Таким чином, шукана вихідна концентрація N 2 дорівнює:

Вих = P + 0,04 = 8 + 0,04 = 8,04 моль/л.

Відповідь: P = 8 мол/л; вих = 8,04 моль/л.

Завдання 138
За деякої температури рівновагу гомогенної системи
2NО + O 2 ↔ 2NO 2 встановилося за наступних концентрацій реагуючих речовин (моли/л): p = 0,2; [Про 2] р = 0,1; р = 0,1. Обчисліть константу рівноваги та вихідну концентрацію NO та O 2 . Відповідь: К = 2,5; вих = 0,3 моли/л; [Про 2] іс х = 0,15 моль/л.
Рішення:
Рівняння реакції:

2NО + O 2 ↔ 2NO 2

Для знаходження вихідних концентрацій NO і O 2 врахуємо, що згідно з рівнянням реакції, з 2 моль NO і 1 моль О2 утворюється 2 моль NO 2 то при цьому було витрачено 0,1 моль NO і 0,05 моль О 2 . Таким чином, вихідні концентрації NO і 2 рівні:

Вих = NО] p + 0,1 = 0,2 + 0,1 = 0,3 мол/л;
[Про 2] вих = [Про 2] р + 0,05 = 0,1 + 0,05 = 0,15 моль/л.

Відповідь:Кp = 2,5; вих = 0,3 моли/л; [Про 2] вих = 0,15 моль/л.

Завдання 139.
Чому при зміні тиску зміщується рівновага системи
N 2 + 3Н 2 ↔ 2NH 3 і, чи не зміщується рівновага системи N 2 + O 2  2NO? Відповідь мотивуйте на підставі розрахунку швидкості прямої та зворотної реакцій у цих системах до та після зміни тиску. Напишіть вирази для констант рівноваги кожної з цих систем.
Рішення:
а) Рівняння реакції:

N 2 + 3Н 2 ↔ 2NH 3 .

З рівняння реакції випливає, що реакція протікає зі зменшенням обсягу в системі (з 4 моль газоподібних речовин утворюється 2 моль газоподібної речовини). Тому при зміні тиску в системі спостерігатимуться усунення рівноваги. Якщо підвищити тиск у цій системі, то, згідно з принципом Ле Шательє, рівновага зміститься праворуч, у бік зменшення обсягу. При зміщенні рівноваги в системі праворуч швидкість прямої реакції буде більша за швидкість зворотної реакції:

пр >обр або пр = k 3 > о бр = k 2 .

Якщо ж тиск у системі зменшити, то рівновага системи зміститься вліво, у бік збільшення об'єму, то при зміщенні рівноваги вліво швидкість прямої реакції буде меншою, ніж швидкість прямої:

пр< обр или (пр = k 3 )< (обр = k 2).

б) Рівняння реакції:

N2 + O2) ↔ 2NO. .

З рівняння реакції слід, що з протікання реакції не супроводжується зміною обсягу, реакція протікає без зміни числа молей газоподібних речовин. Тому зміна тиску в системі не призведе до зміщення рівноваги, тому швидкості прямої та зворотної реакції будуть рівні:

пр = обр = або (пр k [Про 2]) = (обр = k 2) .

Завдання 140.
Вихідні концентрації вих і [С1 2] вих в гомогенній системі
2NO + Сl 2 ↔ 2NOС1 складають відповідно 0,5 та 0,2 моль/л. Обчисліть константу рівноваги, якщо на момент настання рівноваги прореагувало 20% NО. Відповідь: 0,417.
Рішення:
Рівняння реакції має вигляд: 2NO + Сl 2 ↔ 2NOС1
Відповідно до умови завдання у реакцію вступило 20% NO, що становить 0,5 . 0,2 = 0,1 моль, а чи не прореагувало 0,5 – 0,1 = 0,4 моль NO. З рівняння реакції випливає, що кожні 2 моль NO витрачається 1 моль Cl2, у своїй утворюється 2 моль NOCl. Отже, c 0,1 моль NO у реакцію вступило 0,05 моль Cl 2 і утворилося 0,1 моль NOCl. Залишилося не витраченим 0,15 моль Cl 2 (0,2 - 0,05 = 0,15). Таким чином, рівноважні концентрації, що беруть участь, рівні (моль/л):

Р = 0,4; p = 0,15; р = 0,1.

Константа рівноваги цієї реакції виражається рівнянням:

Підставляючи на цей вираз рівноважні концентрації речовин, отримаємо.

Повернемося до процесу виробництва аміаку, що виражається рівнянням:

N 2 (г) + 3H 2 (г) → 2NH 3 (г)

Перебуваючи у закритому обсязі, азот та водень з'єднуються та утворюють аміак. Доки протікатиме цей процес? Логічно припустити, що доти, доки якийсь із реагентів не закінчиться. Однак, у реального життяце не зовсім так. Справа в тому, що через деякий час після того, як почалася реакція, аміак, що утворився, стане розкладатися на азот і водень, тобто, почнеться зворотна реакція:

2NH 3 (г) → N 2 (г) + 3H 2 (г)

Фактично в закритому обсязі протікатимуть відразу дві, прямо протилежні один одному реакції. Тому цей процес записується таким рівнянням:

N 2 (г) + 3H 2 (г) ↔ 2NH 3 (г)

Подвійна стрілка вказує на те, що реакція йде у двох напрямках. Реакція сполуки азоту та водню називається прямою реакцією. Реакція розкладання аміаку зворотною реакцією.

На самому початку процесу швидкість прямої реакції дуже велика. Але з часом концентрації реагентів зменшуються, а кількість аміаку зростає - як наслідок швидкість прямої реакції зменшується, а швидкість зворотної - зростає. Настає час, коли швидкості прямої та зворотної реакцій порівнюються - настає хімічна рівновага або динамічна рівновага. При рівновазі протікає як пряма, і зворотна реакції, та їх швидкості однакові, тому змін непомітно.

Константа рівноваги

Різні реакції протікають по-різному. В одних реакціях до моменту настання рівноваги утворюється велика кількість продуктів реакції; в інших – набагато менше. Т.ч., можна сказати, що конкретне рівняння має свою константу рівноваги. Знаючи константу рівноваги реакції, можна визначити відносну кількість реагентів та продуктів реакції, при якому настає хімічна рівновага.

Нехай деяка реакція описується рівнянням: aA + bB = cC + dD

• a, b, c, d – коефіцієнти рівняння реакції;
• A, B, C, D - хімічні формулиречовин.

Константа рівноваги:

[C] c [D] d K = ———————— [A] a [B] b

Квадратні дужки показують, що у формулі беруть участь молярні концентрації речовин.

Про що говорить константа рівноваги?

Для синтезу аміаку при кімнатній температурі К=3,5·10 8 . Це досить велике число, що свідчить про те, що хімічна рівновага настане коли концентрація аміаку буде набагато більше вихідних речовин, що залишилися.

При реальному виробництві аміаку завдання технолога у тому, щоб отримати якнайбільший коефіцієнт рівноваги, тобто, щоб пряма реакція пройшла остаточно. Як цього можна досягти?

Принцип Ле Шательє

Принцип Ле Шательєкаже:

Як це розуміти? Все дуже просто. Порушити рівновагу можна трьома способами:

• змінивши концентрацію речовини;
• змінивши температуру;
• змінивши тиск.

Коли реакція синтезу аміаку перебуває у рівновазі, це можна зобразити так (реакція екзотермічна):

N 2 (г) + 3H 2 (г) → 2NH 3 (г) + Теплота

Змінюємо концентрацію

Введемо додаткову кількість азоту у збалансовану систему. При цьому баланс порушиться:

Пряма реакція почне протікати швидше, оскільки кількість азоту збільшилася і він входить у реакцію у більшій кількості. Через деякий час знову настане хімічна рівновага, але при цьому концентрація азоту буде більшою, ніж концентрація водню:

Але, здійснити "перекіс" системи в ліву частину можна й іншим способом - "полегшивши" праву частину, наприклад, відводити аміак із системи в міру його утворення. Т.ч., знову переважатиме пряма реакція утворення аміаку.

Змінюємо температуру

Праву сторону наших "ваг" можна змінювати шляхом зміни температури. Для того щоб ліва частина "переважила", необхідно "полегшити" праву частину - зменшити температуру:

Змінюємо тиск

Порушити рівновагу в системі за допомогою тиску можна лише у реакціях із газами. Збільшити тиск можна двома способами:

• зменшенням обсягу системи;
• запровадженням інертного газу.

У разі збільшення тиску кількість зіткнень молекул зростає. При цьому підвищується концентрація газів у системі та змінюються швидкості прямої та зворотної реакцій – рівновага порушується. Щоб відновити рівновагу система "намагається" зменшити тиск.

Під час синтезу аміаку з 4-х молекул азоту та водню утворюється дві молекули аміаку. Через війну кількість молекул газів зменшується - тиск падає. Як наслідок, щоб дійти рівноваги після збільшення тиску, швидкість прямої реакції зростає.

Підведемо підсумок.Відповідно до принципу Ле Шательє збільшити виробництво аміаку можна:

• збільшуючи концентрацію реагентів;
• зменшуючи концентрацію продуктів реакції;
• зменшуючи температуру реакції;
• збільшуючи тиск, при якому відбувається реакція.

Кількісна характеристика, що показує напрямок реакції та зміщення концентрації речовин, називається константою рівноваги хімічної реакції. Константа рівноваги залежить від температури та природи реагентів.

Зворотні та незворотні реакції

Усі реакції можна розділити на два типи:

• оборотні, що одночасно протікають у двох взаємно протилежних напрямках;
• незворотні, що протікають в одному напрямку з повною витратоюхоча б однієї вихідної речовини.

При незворотних реакціях зазвичай утворюються нерозчинні речовини як осаду чи газу. До таких реакцій належать:

• горіння:

  C 2 H 5 OH + 3O 2 → 2CO 2 + H 2 O;

• розкладання:

  2KMnO 4 → K 2 MnO 4 + MnO 2 + H 2 O;

• приєднання з утворенням осаду або газу:

  BaCl 2 + Na 2 SO 4 → BaSO 4 ↓ + 2NaCl.

Рис. 1. Утворення осаду BaSO 4 .

Оборотні реакції можливі лише у певних незмінних умовах. Вихідні речовини дають нову речовину, яка відразу розпадається на складові частини і збирається знову. Наприклад, в результаті реакції 2NO + O 2 ↔ 2NO 2 оксид азоту (IV) легко розкладається на оксид азоту (II) та кисень.

Рівновага

Через певний час швидкість оборотної реакції сповільнюється. Досягається хімічна рівновага - стан, при якому не відбувається зміни концентрації вихідних речовин і продуктів реакції з часом, тому що швидкість прямої та зворотної реакцій зрівнюються. Рівнавага можливе тільки в гомогенних системах, тобто всі речовини, що реагують, є або рідинами, або газами.

Розглянемо хімічну рівновагу з прикладу реакції взаємодії водню з йодом:

• пряма реакція -

  H 2 + I 2 ↔ 2HI;

• зворотна реакція -

  2HI ↔ H 2 + I 2 .

Як тільки змішуються два реагенти - водень і йод - йодоводороду ще не існує, оскільки прості речовинилише вступають у реакцію. Велика кількістьвихідних речовин активно реагують одна з одною, тому швидкість прямої реакції буде максимальною. У цьому зворотна реакція не протікає, і її дорівнює нулю.

Швидкість прямої реакції можна виразити графічно:

ν пр = k пр ∙ ∙ ,

де k пр - Константа швидкості прямої реакції.

Згодом реагенти витрачаються, їх концентрація знижується. Відповідно, швидкість прямої реакції зменшується. Одночасно з цим збільшується концентрація нової речовини – йодоводороду. При накопиченні він починає розкладатися і швидкість зворотної реакції підвищується. Її можна висловити як

ν обр = k обр ∙ 2 .

Йодоводень у квадраті, оскільки коефіцієнт молекули дорівнює двом.

У певний моментшвидкості прямої та зворотної реакції зрівнюються. Настає стан хімічної рівноваги.

Рис. 2. Графік залежності швидкості реакції від часу.

Рівнову можна змістити або у бік вихідних речовин, або у бік продуктів реакції. Зміщення під впливом зовнішніх факторівназивається принципом Ле Шательє. На рівновагу впливають температура, тиск, концентрація однієї з речовин.

Розрахунок константи

У стані рівноваги обидві реакції йдуть, але при цьому концентрації речовин знаходяться в рівновазі (утворюються рівноважні концентрації), так як врівноважені швидкості (пр = ν обр).

Хімічна рівновага характеризується константою хімічної рівноваги, яка виражається зведеною формулою:

K p = k пр / k обр = const.

Константи швидкості реакції можна виразити через співвідношення швидкості реакції. Візьмемо умовне рівняння зворотної реакції:

aA + bB ↔ cC + dD.

Тоді швидкості прямої та зворотної реакції дорівнюватимуть:

• ν пр = k пр ∙ [A] p a ∙ [B] p b
• ν обр = k обр ∙ [C] p c ∙ [D] p d .

Відповідно, якщо

ν пр = ν обр,

k пр ∙ [A] p a ∙ [B] p b = k обр ∙ [C] p c ∙ [D] p d .

Звідси можна висловити співвідношення констант:

k обр / k пр = [C] p c ∙ [D] p d / [A] p a ∙ [B] p b .

Це співвідношення дорівнює константі рівноваги:

K p = [C] p c · [D] p d / [A] p a · [B] p b .

Рис. 3. Формула константи рівноваги.

Величина показує, у скільки разів швидкість прямої реакції більша за швидкість зворотної реакції.

Що ми дізналися?

Реакції залежно від кінцевих продуктів класифікуються на оборотні та необоротні. Оборотні реакції протікають в обидві сторони: вихідні речовини утворюють кінцеві продукти, які розкладаються на вихідні речовини. У ході реакції швидкості прямої та зворотної реакцій врівноважуються. Такий стан називається хімічною рівновагою. Воно може бути виражене як співвідношення добутку рівноважних концентрацій продуктів реакції до добутку різноважних концентрацій вихідних речовин.

Тест на тему

Оцінка доповіді

Середня оцінка: 4.8. Усього отримано оцінок: 64.