7.5.3. Влияние давления на смещение равновесия

Если в обратимой реакции участвуют газообразные вещества, смещение равновесия может быть вызвано изменением давления. На жидкости и твердые вещества давление практически не влияет.

Увеличение давления равносильно сжатию газа, а, следовательно, увеличению его концентрации. При расширении газа происходит уменьшение его давления, и уменьшение концентрации.

По существу, для газовых систем изменение давления равносильно изменению концентрации.

В соответствии с принципом Ле Шателье:

Повышение давления (сжатие или уменьшение объема) сдвигает равновесие в сторону веществ, занимающих меньший объем;

понижение давления (расширение или увеличение объема) – в сторону веществ, занимающих больший объем.

Таблица 7.6.

Условия проведения реакций с изменением объема

Условия проведения реакций, идущих
с увеличением объема (V>0)	с уменьшением объема (V<0)
Примеры
СН4 + Н2О  СО + 3Н3 2 объема 4 объема С2Н6  С2Н4 + Н2 1 объем 2 объема	3Н2 + N2  2NH3 4 объема 2 объема С2Н4 (газ)  (С2Н4)n (тв) 1 объем тв. в-во
Для увеличения выхода продуктов реакции необходимо пониженное давление.	Для увеличения выхода продуктов реакции необходимо увеличить давление.

В том случае, когда объемы газообразных исходных веществ и продуктов реакции равны, давление практически не оказывает влияния на смещение равновесия. Примеры таких реакций:

Н₂ + Cl₂  2HCl

СО + Н₂О  СО₂ + Н₂.

Необходимо учитывать, что при высоких и сверхвысоких давлениях

(р  500 атм) влияют уже такие факторы как конденсация паров, отклонение от свойств идеальных газов и т.п.

Если среди реагентов нет газообразных веществ, то влияние на смещение равновесия может оказать только очень высокое давление. Примером может служить процесс искусственного получения алмаза:

С_{(графит)}  С_(алмаз) – Q

Изменение объема в этом случае очень мало, т.к. плотность графита и плотность алмаза различаются незначительно (2,2 г/см³ и 3,5 г/см² соответственно). Следовательно, для смещения равновесия в прямом направлении требуется очень высокое давление.

Поскольку реакция эндотермическая, то для смещения равновесия вправо требуется нагрев.

Синтез технических алмазов производят, нагревая графит в присутствии родиевого катализатора до температуры 3000⁰ под давлением около 100000 атмосфер.

7.5.4. Влияние катализатора на смещение равновесия

Введение катализатора в равновесную смесь не изменяет равновесных концентраций реагентов и продуктов. Катализатор в равной мере ускоряет и прямую, и обратную реакцию.

Катализатор лишь уменьшает время достижения равновесия в исходной системе.

7.5.6. Принцип Ле Шателье и управление химическими процессами

Применение принципа Ле Шателье позволяет управлять большинством химических реакций. Из реакций, которые осуществляются в промышленном масштабе, ярким примером является синтез аммиака по способу Габера.

3Н₂ + N₂  2NH₃ Н < 0

Реакция экзотермическая и идет с уменьшением объема, следовательно наиболее благоприятными условиями для проведения процесса являются: высокое давление и низкая температура. Это подтверждают и следующие данные, приведенные в твблице 7.1.

Таблица 7.7.

Условия проведения синтеза аммиака

t, 0C	Выход аммиака, %
	200 атм	600 атм	1000 атм
2000	90	97	99
4000	39	65	80
7000	4	12	16

По данным таблицы, наилучшие условия для получения аммиака

t = 200⁰C и р = 1000 атм, но для достижения равновесия при такой низкой температуре требуется очень большое время. Для ускорения процесса жертвуют выходом6 синтез аммиака ведут при t = 450⁰C и р = 200 атм, катализатор – оксид железа.