Химическое равновесие

Понятие «химическое равновесие» относится к обратимым реакциям, т.е. реакциям, которые одновременно протекают в прямом и обратном направлении:

прямая реакция

А + В С + D

обратная реакция

Состояние обратимой реакции, при котором скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции, называется химическим равновесием. Важно отметить, что в состоянии химического равновесия и прямая, и обратная реакции продолжают протекать, но, так их скорости равны, то концентрации всех веществ в реакционной системе не меняются. Эти концентрации называются равновесными. Изменение внешних условий может повлиять на скорость прямой и обратной реакции, причем в разной степени, что приведет к смещению равновесия. В результате этого произойдет переход системы в новое равновесное состояние, которое характеризуется другим соотношением концентраций реагирующих веществ и продуктов реакции.

Направление смещения равновесия определяется принципом, сформулированным французским ученым Ле Шателье (1884 г.):

Если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия оказать внешнее воздействие, то равновесие сместится в сторону той реакции (прямой или обратной) которая ослабит это внешнее воздействие.

Важнейшими факторами, влияющими на смещение химического равновесия, являются:

1. Изменение концентрации веществ, участвующих в реакции (как исходных, так и продуктов). Если в равновесную систему ввести ввести какое-либо из участвующих в реакции веществ, то равновесие сместится в сторону той реакции, при протекании которой это вещество расходуется. Если из равновесной системы вывести какое-либо вещество, то равновесие сместится в сторону той реакции, при протекании которой это вещество образуется.

2. Изменение давления в системе. Подчеркнем, что изменение давления влияет на смещение равновесия в системе, в которой принимают участие газообразные вещества. При повышении давления равновесие будет смещаться в сторону той реакции, которая протекает с уменьшением числа молей газообразных веществ; при понижении давления – в сторону той реакции, которая протекает с увеличением числа молей газообразных веществ. Если реакция протекает без изменения числа молей газообразных веществ, то изменения давления не влияет на смещение равновесия

3. Изменение температуры. Обратим внимание на то, что прямая и обратная реакция имеют одинаковые по величине, но противоположные по знаку тепловые эффекты. При повышении температуры равновесие сместится в сторону эндотермической реакции, при понижении температуры - в сторону экзотермической реакции.

4. Особо подчеркнем, что введение катализатора не влияет на смещение химического равновесия, так как катализатор в одинаковой мере увеличивает скорость как прямой, так и обратной реакции. Катализатор лишь способствует приближению времени наступления равновесия.

1.2. Примеры заданий по теме «Скорость химической реакции. Химическое равновесие» и комментарии к их решению

Рассмотрим задания в формате ЕГЭ, требующие применения знаний факторов, влияющих на скорость химических реакций и на смещение химического равновесия.

Ещё раз напомним, что для выполнения заданий ЕГЭ достаточно применения знаний о скорости химической реакции только на качественном уровне.

Отметим, что многие учащиеся путают факторы, влияющие на скорость реакции с факторами, влияющими на смещение химического равновесия.

1. С наибольшей скоростью при комнатной температуре протекает реакция между разбавленной серной кислотой и

1)

магнием

2)

цинком

3)

хромом

4)

оловом

Выполняя это заданий, следует учесть природу реагирующих веществ. Наиболее активным из этих металлов является магний, что следует из его положения в электрохимическом ряду напряжений металлов. Поэтому скорость его взаимодействия с разбавленной соляной кислотой будет наибольшей. Ответ: 1.

2. Скорость химической реакции между железом и соляной кислотой зависит от

1)	давления
2)	объема раствора кислоты
3)	степени измельчения железа
4)	массы железа

Следует учесть, что данная реакция – гетерогенная. Изменение давления, объема раствора кислоты или массы магния – твердого вещества - не повлияет на скорость этой реакции. А степень измельчения металла приведет к изменению поверхности соприкосновения реагирующих веществ и, следовательно, к изменению скорости реакции. Ответ: 3.

3. С наибольшей скоростью при обычных условиях протекает реакция

1)	4Li + O2 = 2Li2O
2)	Na2S(р-р) + FeCl2(р-р) = FeS↓ + 2NaCl
3)	Fe + 2HCl(р-р) = FeCl2 + H2↑
4)	BaO + CO2 = BaCO3

Анализ указанных реакций приводит к выводу, что реакции 1, 3 и 4 – гетерогенные. Реакция 2 отражает взаимодействие между ионами в растворе электролита в гомогенной среде и протекает практически мгновенно, т.е. с наибольшей скоростью. Ответ: 2.

4. С наибольшей скоростью при комнатной температуре протекает реакция между

1)	порошком цинка и 5%-ным раствором соляной кислоты
2)	порошком цинка и 10%-ным раствором соляной кислоты
3)	гранулированным цинком и 5%-ным раствором соляной кислоты
4)	гранулированным цинком и 10%-ным раствором соляной кислоты

Эти реакции – гетерогенные. Выполняя задание, следует учесть два фактора, которые влияют на скорость реакции: концентрацию реагирующих веществ и степень измельчения твердого вещества. Чем больше концентрация кислоты и чем больше степень измельчения цинка, тем скорость реакции выше. Ответ: 2.

5. Для увеличения скорости химической реакции

Zn + 2HCl(р-р) = ZnСl₂ + H₂↑

необходимо

1)	увеличить концентрацию водорода
2)	ввести в систему ингибитор
3)	добавить несколько кусочков цинка
4)	увеличить концентрацию кислоты

Водород – продукт реакции, поэтому изменение его концентрации никак не скажется на скорости процесса. Ингибитор не повышает, а уменьшает скорость реакции. Многие школьники ошибочно считают, что увеличить скорость реакции можно путем добавления кусочков цинка. Однако, данная реакция – гетерогенная, поэтому добавление нескольких кусочков цинка увеличит количество выделяющегося водорода, но не скорость его выделения. Увеличение концентрации кислоты (реагента) будет способствовать увеличению скорости реакции. Ответ – 4.

6. Скорость реакции гидролиза метилформиата

HCOOCH₃ + Н₂О → HCOOН + CH₃OH

не зависит от

1)	температуры
2)	концентрации метанола
3)	добавления воды
4)	концентрации метилформиата

Скорость химической реакции зависит от температуры, изменения концентрации реагентов, в данном случае – метилформиата и воды. Метанол является продуктом реакции, поэтому изменение его концентрации не будет влиять на скорость реакции гидролиза сложного эфира. Ответ: 2.

7. В системе

2CO_(г) CO_2(г) + C_(тв) + Q

смещению химического равновесия в сторону исходного вещества будет способствовать

1)	увеличение концентрации CO
2)	увеличение давления
3)	уменьшение концентрации СО2
4)	повышение температуры

В соответствии с принципом Ле Шателье, увеличение концентрации исходного вещества – СО - будет смещать равновесие в сторону прямой реакции, в результате протекания которой это вещество расходуется. Увеличение давления также будет способствовать смещению равновесия в сторону прямой реакции, так как она протекает с уменьшением числа молей газообразных веществ. Уменьшение концентрации продукта реакции - углекислого газа СО₂ – сместит равновесие в сторону образования этого вещества, т.е. в сторону прямой реакции. Так как прямая реакция – экзотермическая, то повышение температуры сметит равновесие в сторону обратной реакции, являющейся эндотермической. Ответ: 4.

8. При одновременном увеличении температуры и увеличении давления равновесие сместится в сторону прямой реакции в cистеме

1)	PCl5(г) PCl3(г) + Cl2(г) – Q
2)	СаO(тв) + СО2(г) СаСО3(тв) + Q
3)	3О2(г) 2О3(г) – Q
4)	2Н2(г) + О2(г) 2Н2O2(г) + Q

Увеличение температуры будет способствовать смещению равновесия в сторону эндотермической реакции. Таковыми являются протекающие в прямом направлении реакции 1 и 3. Увеличение давления приведет к смещению равновесия в сторону реакции, протекающей с уменьшением числа молей газообразных веществ, что соответствует реакции 3. Ответ: 3.

9. Химическое равновесие в системе

СаO_(тв) + СО_2(г) СаСО_3(тв) +Q

можно сместить в сторону прямой реакции при

1)	добавлении СаО
2)	уменьшении давления
3)	уменьшении температуры
4)	введении катализатора

Добавление твердых веществ, в данном случае – СаО - не влияет на смещение равновесия, так как количество твердого вещества, приходящегося на единицу его объема, не зависит от того, сколько этого вещества присутствует в системе. Уменьшение давления приведет к смещению равновесия в сторону обратной реакции, так она протекает с образованием единственного в этой системе газообразного вещества – СО₂. Введение катализатора, как уже отмечалось, не влияет на смещение равновесия. Смещению равновесия в сторону прямой реакции, являющейся экзотермической, будет способствовать уменьшение температуры. Ответ: 3.

10. Верны ли следующие суждения о смещении химического равновесия в системе С₂Н₄(г) + Н₂(г) С₂Н₆(г) + Q?

А. При повышении давления в данной системе смещения химического равновесия не происходит.

Б. При увеличении концентрации водорода равновесие в системе смещается в сторону продукта реакции.

1)	верно только А
2)	верно только Б
3)	верны оба суждения
4)	оба суждения неверны

Реакция гидрирования этена происходит с уменьшением числа молей газообразных веществ, поэтому изменение давления должно оказывать влияние на смещение равновесия в системе, т.е. утверждение А неверно. Водород является исходным веществом в этой реакции, следовательно, при увеличении его концентрации равновесие смещается в сторону продукта реакции, т.е. утверждение Б верно. Ответ: 2.

11. Химическое равновесие в системе

С₂Н₅ОН + СН₃СООН СН₃СООС₂Н₅ + Н₂О - Q

смещается в сторону образования сложного эфира при

1)	добавлении воды
2)	удалении воды
3)	уменьшении концентрации спирта
4)	увеличении концентрации сложного эфира

Добавление воды и увеличение концентрации эфира, являющихся продуктами реакции, а также уменьшение концентрации спирта, являющегося одним из исходных веществ, будет способствовать смещению равновесия в сторону обратной реакции. Сместить равновесие в сторону образования сложного эфира поможет удаление воды, т.е. уменьшение концентрации одного из продуктов реакции. Ответ: 2.

Обратим внимание на то, что вопросы о скорости химических реакций, химическом равновесии и влиянии на них различных факторов рассматриваются в школьном курсе химии в основном на материале неорганической химии. Задания, в которых речь идет о реакциях между органическими веществами (см., например, задания 6, 10, и 11), как показали результаты ЕГЭ, оказались сложными для школьников. Вероятно, это связано с тем, что они затрудняются перенести полученные знания в измененную ситуацию, забывая, что все общие закономерности протекания реакций при этом остаются теми же.