III. Химическое равновесие

Химические реакции могут быть обратимыми и необратимыми. Необратимые реакции протекают до конца, до полного израсходования одного из реагирующих веществ, только в одном направлении. Обратимые реакции протекают как в прямом так и в обратном направлениях, не до конца, и ни одно из реагирующих веществ не расходуется полностью.

Например, реакция взаимодействия цинка с разбавленной серной кислотой является необратимой и закончится, когда растворится весь цинк:

Zn + H₂SO_4(р) → ZnSO₄ + H₂

Реакция образования воды является обратимой и протекает в прямом и обратном направлении:

2Н_2(г) + О_2(г) ↔ 2Н₂О_(г)

Так как одновременно протекают и прямая и обратная реакции, значит, в реакционном сосуде присутствуют все реагирующие вещества. В определенный момент установится равновесие между водородом, кислородом и парами воды.

На рис.8 показано изменение скоростей прямой и обратной реакций с течением времени. В начальный момент времени скорость прямой реакции велика, скорость обратной реакции равна нулю, концентрация исходных веществ максимальна. В процессе протекания реакции исходные вещества расходуются, их концентрация уменьшается, скорость прямой реакции уменьшается, возрастает концентрация продуктов реакции, а значит, и скорость обратной реакции. Наступает момент химического равновесия, когда число образующихся молекул при прямой реакции равно числу молекул, вступивших в обратную реакцию. В состоянии химического равновесия скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции.

υ₁ =υ₂

τ

υ₂

υ₁

υ

Р ис.8 Изменение скорости прямой и обратной реакций до состояния равновесия

Состояние химического равновесия является динамическим, так как протекают и прямая и обратная реакции, но их скорости равны, поэтому изменений в системе не заметно. После наступления равновесия концентрации реагирующих веществ (исходных веществ и продуктов) при данных условиях остаются постоянными, и их называют равновесными.

Константа химического равновесия

Количественной характеристикой химического равновесия служит константа химического равновесия К_р, равная отношению констант прямой и обратной реакций, так, для реакции

aA + bB + …↔ dD + eE +…

скорости прямой и обратной реакций можно записать как:

_пр = k₁[A]^a [B]^b ;

_обр = k₂[D]^d [E]^e.

Тогда константа химического равновесия будет равна:

К_р= k₁ / k₂ = [D]^d [E]^e / [A]^a [B]^b

Таким образом: константой равновесия К_р называется частное от деления произведения равновесных концентраций продуктов реакции на произведение равновесных концентраций исходных веществ, К_р является величиной постоянной.

Константа равновесия характеризует глубину протекания процесса;

если К_р >> 1, выход реакции велик, потому что при этом

[D]^d [E]^e>> [A]^a [B]^b

т.е в состоянии равновесия концентрации продуктов гораздо больше концентраций исходных веществ. Значит при К_р<<1 выход реакции мал.

Пример№1: Написать уравнения скоростей прямой и обратной реакций и константы химического равновесия для равновесной системы

H_2(г) + I_2(г)↔ 2HI_(г)

Решение: в соответствии с законом действия масс выражения скоростей прямой и обратной реакций можно записать как:

_пр = k₁[H₂] [I₂];

_обр = k₂[HI]² .

Константа химического равновесия будет равна:

К_р= k₁ / k₂ = [HI]²/ [ H₂] [I₂] .

Для гетерогенных реакций в выражение константы равновесия входят концентрации только тех веществ, которые находятся в газообразном состоянии или в виде разбавленных растворов. Например, для реакции

СО_2(г) + С_(к) = 2СО_(г)

константа равновесия имеет вид

К_р = [CO]²/[CO₂] .

Константа равновесия зависит от природы реагирующих веществ и от температуры. От присутствия катализатора К_р не зависит, так как катализатор одинаково изменяет энергию активации и прямой и обратной реакций на одну и ту же величину и, значит, на отношение констант их скоростей не влияет.