4. Химическое равновесие

Самопроизвольно протекающие реакции можно разделить на два вида:

• необратимые реакции протекают практически в одном направлении, до полного израсходования одного или всех реагирующих веществ:

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О

• обратимые реакции в прямом и обратном направлении:

H₂ + I₂ 2HI

2SO₂ + О₂ 2SO₃.

В результате обратимого процесса в системе наступает химическое равновесие.

Состояние системы, при котором скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции, называют химическим равновесием.

В состоянии химического равновесия концентрации всех участников реакции постоянны и не изменяются со временем, хотя прямая и обратная реакции не прекращаются. Концентрации веществ (моль/л) в состоянии равновесия принято называть равновесными.

4.1. Константа химического равновесия

Рассмотрим реакцию в общем виде :

mA + nB pC + qD.

Состояние равновесия характеризуют величиной К – константы равновесия. Согласно закону действия масс константа равновесия равна отношению произведений равновесных концентраций продуктов ([C], [D], моль/л) и исходных веществ ([A], [B], моль/л) с учетом стехиометрических коэффициентов (m, n, p, q):

.

Уравнение константы равновесия показывает, что в условиях равновесия концентрации всех веществ, участвующих в реакции, связаны между собой. Изменение концентрации любого из этих веществ влечет за собою изменения концентраций всех остальных веществ; в итоге устанавливаются новые концентрации, но соотношение между ними вновь отвечает константе равновесия. Константа равновесия зависит от природы веществ, температуры, но не зависит от концентраций.

Для гомогенной реакции

2 SO_2(г) + O_2(г) 2 SO_3(г).

константу равновесия химической реакции выражают уравнением:

.

В случае гетерогенных реакций в выражение константы равновесия не входят концентрации конденсированных фаз (жидких или кристаллических, для реакций, протекающих в растворах, – твердых). Например,

СО_2(г) + С_{(графит)} 2СО_(г)

BaSO_4(к) Ba²⁺ + SO₄^2– .

4.2. Принцип Ле Шателье

Химическое равновесие устанавливается при определенных значениях трех параметров: концентрации веществ, температуры, давления. Изменение даже одного из этих параметров приводит к смещению химического равновесия. Это связано с тем, что внешнее воздействие в разной степени изменяет скорость двух взаимно противоположных процессов.

Определить направление смещения состояния равновесия позволяет принцип Ле Шателье:

• если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказывают внешнее воздействие, то равновесие смещается в сторону той реакции, которая уменьшает это воздействие.

Влияние концентраций компонентов системы

Введение в равновесную систему дополнительных количеств какого-либо реагента вызывает смещение равновесия в направлении реакции, которая уменьшает его концентрацию:

• введение избытка (увеличение концентрации) исходного вещества вызывает смещение равновесия в сторону прямой реакции;

• введение избытка (увеличение концентрации) продуктов реакции приводит к смещению равновесия в сторону обратной реакции.

Смещение равновесия можно осуществить также удалением (снижением концентрации) веществ из реакционной зоны.

Например, в системе

2 SO_2(г) + O_2(г) 2 SO_3(г)

смещению равновесия в сторону прямой реакции будет способствовать увеличение концентрации SO₂, O₂ и снижение концентрации (отведение из реакционной сферы) SO₃.