Химическое равновесие
1. Обратимые реакции. Химическое равновесие
2. Принцип Ле- Шателье; Смещение химического равновесия (самостоятельно)
3. Вывод формулы константы химического равновесия (самостоятельно)
4. Равновесия в растворах электролитов (самостоятельно)
5. Гетерогенные ионные равновесия
1. Обратимые реакции. Химическое равновесие
Химические реакции заключаются во взаимодействии реагентов с образованием продуктов. Не следует, однако, полагать, что направление химической реакции только одно СЛ.1(0) (реагенты®продукты). В действительности, химические реакции протекают и в прямом, и в обратном направлениях.
Все химические реакции, в принципе, обратимы. Это означает, что в реакционной смеси осуществляется как взаимодействие реагентов (при этом образуются продукты), так и взаимодействие продуктов (при этом образуются реагенты). В этом смысле различие между реагентами и продуктами чисто условное, оно определяется записью уравнения обратимой реакции: слева от знака обратимости « записывают формулы реагентов, справа — формулы продуктов.
Например: В закрытой реакционной системе, содержащей первоначально ртуть и кислород, могут протекать реакции: СЛ.1(1) 2Нg + O2 ® 2НgО; 2Нg ® 2Нg + O2.
Таким образом, в данной системе развиваются одновременно протекающие два процесса, и суммарное уравнение обратимой реакции следует записать так: СЛ.1(2) 2Нg + O2 « 2НgО.
В соответствии с уравнением конкретной обратимой реакции различают прямую реакцию, протекающую по уравнению слева направо, и обратную реакцию, протекающую по уравнению справа налево.
Конкретная запись обратной реакции часто определяется также тем, какие вещества были исходными при экспериментальном проведении реакции, а какие — конечными, т. е. образовавшимися в процессе ее протекания.
Направление протекания химической реакции определяется условиями ее проведения (температурой, давлением, концентрацией веществ).
Многие реакции имеют одно преимущественное направление и для проведения таких реакций в противоположном направлении требуются экстремальные условия. В подобных реакциях происходит почти полное превращение реагентов в продукты.
СЛ.1(3) П р и м е р. Железо и сера при умеренном нагревании реагируют между собой с образованием сульфида железа(II), FeS при таких температурах устойчив и практически не разлагается на железо и серу: Fe + S ® FeS.
В химических реакциях, которые способны при заданных условиях протекать в обоих направлениях, не происходит взаимодействия веществ без остатка. Особенно это характерно для гомогенных реакций (реакции между газами, реакции в растворе).
СЛ.1(4) П р и м е р. Реакция синтеза аммиака является обратимой N2 + 3H2 « 2NH3.
При 20 МПа и 400°С достигается максимальное и равное 36 % (по объему) содержание NН3 в реакционной смеси. При дальнейшем повышении температуры вследствие усиленного протекания обратной реакции объемная доля аммиака в смеси уменьшается.
СЛ.2(0) Прямая и обратная реакции протекают одновременно в противоположных направлениях.
Зависимость между прямой и обратной реакциями количественно выражается через скорость реакции. Скорость химической реакции зависит от числа реагирующих (т. е. соударяющихся) частиц. В первый момент протекания обратимой реакции в системе содержатся только частицы исходных веществ (например, в синтезе аммиака — N2 и Н2). Поэтому в первый момент протекает только прямая реакция, причем с очень высокой скоростью. При появлении частиц конечных веществ (в синтезе аммиака — NН3) развивается обратная реакция, причем вначале с очень малой скоростью.
По мере протекания прямой реакции накапливается все большее число частиц конечных веществ, которые принимают участие в обратной реакции, поэтому скорость обратной реакции все больше возрастает. Одновременно уменьшается число частиц исходных веществ, и скорость прямой реакции все больше уменьшается. СЛ.2(1) В результате в реакционной системе достигается состояние, при котором скорости прямой и обратной реакций равны. Такое состояние реакционной системы называется состоянием химического равновесия. При химическом равновесии обе реакции, прямая и обратная, продолжают протекать, следовательно, это равновесие динамическое (а не статическое), или подвижное.
Рис. 1. Изменение во времени скорости прямой и обратной реакций до достижения состояния равновесия.
Соотношение концентраций веществ, участвующих в реакции (реагентов, продуктов), в состоянии равновесия отвечает положению равновесия.
СЛ.3(1) Например: При обратимой реакции электролитической диссоциации воды лишь очень незначительная часть молекул воды вступает в эту реакцию: H2O H+ + OH-.
Поэтому говорят, что положение равновесия находится в области недиссоциированных молекул Н2О.
Каждая химическая реакция, проводимая в определенных условиях, имеет присущее только ей положение равновесия.
Для одних и тех же условии соответствующее положение равновесия не зависит от того, реагенты или продукты реакции были исходными веществами.
Выбор условий проведения обратимых реакций является практически важной проблемой для обеспечения эффективности химико-технологических процессов, т. е. для получения оптимального количества необходимых веществ.