3. Химическое равновесие

Термодинамическое равновесие принято рассматривать применительно к двум группам физико-химических систем.

К первой группе относятся системы, в которых установление равновесия связано с протеканием обратимой химической реакции; такое равновесие называется химическим.

Во второй группе систем установление равновесия связано с перераспределением масс компонентов между отдельными фазами. Такое термодинамическое равновесие называется фазовым.

Различают три вида термодинамического равновесия:стабильное (устойчивое), метастабильное (малоустойчивое) и лабильное (неустойчивое).

Общие признаки и различия этих трех видов равновесия часто рассматривают на примере механической системы (рис.) - положение шарика в позициях 1,2,3, соответствующие лабильному, метастабильному и стабильному равновесием.

Термодинамика изучает химическое (стабильное) равновесие, которое обладает свойствами динамичности и подвижности.

Динамичность химического равновесия проявляется в том, что химическое равновесие определяется состоянием, при котором прямая и обратная реакции протекают с равными скоростями.

Еще в ХIХ веке Н.Н. Бекетов установил, что химические реакции обратимы: наряду с химическим взаимодействием исходных веществ (прямая реакция), имеет место и химическое взаимодействие между продуктами (обратная реакция), в результате которой вновь образуются исходные вещества. По мере их протекания (при неизменных внешних условиях!) скорость прямой реакции уменьшается, а обратной возрастает. В результате через некоторое время, когда скорости прямой и обратной реакций сравняются, устанавливается состояние химического равновесия - число молекул компонентов, входящих в состав химической системы будет оставаться постоянным во времени. Это состояние динамично – с изменением внешних условий равновесие сдвигается в ту или иную сторону. Отсюда следует, что можно достигнуть состояния равновесия при протекании реакции в зависимости от внешних условий как слева направо, так и справа налево. В качестве примера на рис. показан процесс достижения химического равновесия синтеза иодида водорода. Равновесие компонентов, участвующих в данной реакции может быть достигнуто по-разному.

Можно взять одинаковое количество Н₂иI₂в соответствии со стехиометрией реакции

.

Либо в качестве исходного вещества йодистый водород. При неизменных внешних условиях через некоторое время наступит химическое равновесие.

Состояние химического равновесия имеет место в двух случаях: при постоянных внешних условиях состав химической системы с течением времени практически не изменяется; если внешние воздействия выведут систему из состояния равновесия, то с прекращением их действия она вновь вернется в прежнее состояние. Если скорость изменения внешних условий бесконечно мала, также бесконечно мала и скорость изменения состояния равновесия, что с точки зрения термодинамики и есть обратимый равновесный процесс.

Таким образом, химические реакции могут протекать как термодинамически равновесные процессы, следовательно, к ним – как к термодинамическим системам – можно применять общие условия равновесия, являющиеся предметом изучения химической термодинамики.

В термодинамике широко используется принцип подвижного равновесия Ле Шателье, который формулируется так:

Если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, оказать воздействие путем изменения внешних параметров, то в самой системе возникают процессы, стремящиеся вернуть систему в исходное состояние или стремящиеся уменьшить внешнее воздействие.

Например, для реакции N₂+ 3H₂2NH₃(H<0) увеличение давления сместит равновесие вправо (в сторону уменьшения числа молей газообразных веществ), а повышение температуры влево.

Математическим аппаратом химического равновесия является закон действующих масс, уравнение Гиббса-Гельмгольца, уравнения изотермы и изобары (изохоры) Вант Гоффа.