2.3. Химическое равновесие
Химические реакции часто являются двусторонними (обратимыми), т.е. могут протекать при данных условиях в двух противоположных направлениях (понятие обратимая реакция следует отличать от термодинамического понятия обратимый процесс; двусторонняя реакция обратима в термодинамическом смысле лишь в состоянии химического равновесия). Рассмотрим элементарную двустороннюю реакцию
nА + mВ <––> fD + cE
Скорость уменьшения концентрации вещества А при протекании прямой реакции определяется уравнением:
υ = k1 сАn cBn,
а скорость возрастания концентрации вещества А в результате протекания обратной реакции – уравнением:
υ = k2 сDf c Ec.
По мере протекания двусторонней реакции скорость прямой реакции уменьшается, скорость обратной реакции – увеличивается; в некоторый момент времени скорости прямой и обратной реакции становятся равными и концентрации реагентов перестают изменяться. Таким образом, в результате протекания в закрытой системе двусторонней реакции система достигает состояния химического равновесия; при этом константа равновесия будет равна отношению констант скоростей прямой и обратной реакции:
,
Пример. Напишите выражение для константы равновесия гомогенной системы CO(г) + H2O(г) ↔ CO2(г) + H2(г).
Решение. Из кинетического условия состояния химического равновесия (υпр = υобр) следует выражение для константы равновесия:
При изменении внешних условий (концентрации, температуры, давления) изменяются скорости реакции, и происходит смещение равновесия.
Согласно принципу Ле Шателье: если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, воздействовать извне, то в системе происходят процессы, противодействующие данному изменению, то есть ослабляющие его воздействие.
а) повышение концентрации исходных веществ увеличивает скорость прямой реакции и равновесие смещается вправо, то есть увеличивается концентрация продуктов реакции при наступлении нового состояния равновесия.
б) при нагревании системы равновесие смещается в сторону процесса, идущего с поглощением тепла (эндотермического процесса), при охлаждении в сторону экзотермического процесса (процесса, идущего с выделением тепла).
в) увеличение внешнего давления смещает равновесие в сторону образования меньшего числа молей газообразных веществ; уменьшение в сторону большего числа молей газообразных веществ
Пример. В системе установилось равновесие:
2 HJ ( r ) ↔ H2(Г) + J2(Г), ΔH>0.
Как надо изменить температуру, давление и концентрацию, чтобы сместить равновесие в сторону прямой реакции?
Решение.
1. Согласно принципу Ле–Шателье при увеличении внешней температуры равновесие смещается в сторону эндотермического процесса (идущего с поглощением теплоты). Так как прямая реакция эндотермическая (∆rΗ>0), то для смещения равновесия вправо надо увеличить температуру.
2. При увеличении внешнего давления равновесие смещается в сторону уменьшения объема системы (уменьшение числа молей газообразных веществ). В реакции из двух объемов HJ получается два объема H2 и J2, поэтому изменение давления не будет оказывать влияние на смещение равновесия системы.
3. Смещение равновесия вправо можно достичь увеличением концентрации HJ или удалением из системы H2 и J2, что приведет к увеличению скорости прямой реакции и смещению равновесия в системе вправо.
Основная литература:
1. Коровин Н.В. Общая химия. М.: Высшая школа, 2008. – 557 с. Главы 5 – 7,§§ 5.1. – 7.5.
2. Глинка Н.Л. Общая химия. Л.: Химия, 1983. – 704 с. Глава VI.