Сдвиг химического равновесия и принцип Ле Шателье

Нас не удовлетворяет вывод, что то или иное изменение влияет на равновесные концентрации. Нам необходимо также знать, в каком направлении будет смещаться равновесие (в сторону образования продуктов реакции или реагирующих веществ) и степень влияния (какие новые равновесные концентрации будут создаваться в изменившихся условиях). Качественно предсказать влияние изменения внешних условий можно с помощью правила, впервые сформулированного в общем виде в 1884 г. французским химиком Ле Шателье. Это правило называется принципом Ле Шателье или принципом подвижного равновесия.

 

Обобщая многочисленные экспериментальные данные о влиянии изменения внешних условий системы на состояние равновесия, Ле Шателье пришел к такому выводу: Если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-нибудь из условий, определяющих состояние равновесия, то равновесие смещается в том направлении, в котором эффект воздействия уменьшается. Посмотрим, применим ли этот принцип к нашим примерам.

 

Концентрация и принцип Ле Шателье

 

Если к раствору, содержащему равновесные концентрации ионов трехвалентного железа Fe³⁺ и роданид-ионов SCN^-, добавить некоторое количество растворимой соли, содержащей роданид-ион, то интенсивность окраски раствора увеличится:

 

Fe³⁺ (водн) + SCN^- (водн) ⇆ FeSCN²⁺ (водн) (1)

 

В новом состоянии равновесия концентрация ионов FeSCN2⁺ выше, чем до введения роданид-ионов. Увеличение концентрации ионов SCN^- приводит к увеличению концентрации ионов FeSCN2⁺. Это находится в соответствии с принципом Ле Шателье. Изменение, происшедшее с системой, сводится к увеличению концентрации ионов SCN^-. Это изменение может быть компенсировано частичным взаимодействием ионов Fe3⁺ и SCN^- с образованием ионов FeSCN2⁺. Такое же объяснение применимо и в том случае, если повышают концентрацию ионов железа Fe3⁺, добавляя к раствору растворимую соль трехвалентного железа. В обоих случаях концентрация добавленной соли понижается за счет образования ионов FeSCN2⁺, что компенсирует изменение условий равновесия в системе.

 

Давление и принцип Ле Шателье

 

Вместо изменения концентрации одного из компонентов в равновесной системе можно изменить концентрации всех газообразных компонентов, если изменить давление, под которым находится система. Начнем с реакции, протекающей по уравнению H₂O (г) ⇆ H₂ (г) + ½ O₂ (г), и удвоим общее давление в системе. Теперь система будет занимать гораздо меньший объем, чем раньше. Общее число молей веществ в единице объема увеличится по сравнению с первоначальным значением. Для компенсации этого изменения водород и кислород частично реагируют с образованием; паров воды. В результате общее число молей присутствующих веществ уменьшается (из 1,5 моля - 1 моль Н₂ и 0,5 моля О₂ - образуется 1 моль воды). Значит, можно предсказать, что при увеличении концентрации всех, компонентов в результате повышения давления в системе равновесие смещается в сторону образования паров воды. Это предположение согласуется с экспериментом.

 

Изменение общего давления в системе не всегда вызывает сдвиг равновесия. В качестве примера рассмотрим реакцию:

 

СО (г) + NO₂ (г) ⇆ СО₂ (г) + NO (г) (2)

 

Если увеличить давление в системе, в которой находятся в равновесии эти четыре газа, то смесь газов сжимается до меньшего объема. Концентрации всех компонентов в этом случае тоже увеличиваются. Что следует в данном случае из принципа Ле Шателье? Если равновесие смещается в сторону образования продуктов реакции, то часть молекул СО и NO₂ реагирует, образуя точно такое же число молекул СO₂ и NO. Поскольку общее число молекул не изменяется, сдвиг равновесия не компенсирует изменения давления. Согласно принципу Ле Шателье, при изменении внешних условий, определяющих состояние равновесия, равновесие смещается в направлении уменьшения эффекта воздействия. В нашем случае ни сдвиг равновесия в сторону образования реагирующих веществ, ни сдвиг равновесия в сторону образования продуктов реакции не компенсируют увеличение давления. Поэтому можно ожидать, что состояние равновесия при реакции (2) не изменится, если увеличить давление. Это было подтверждено экспериментально. Изменение давления не влияет на равновесие в случае смеси газов, если число молекул реагирующих веществ равно числу молекул продуктов реакции.

 

Температура и принцип Ле Шателье

 

Помимо того, что мы уже знаем о реакции N₂O₄ (г) → 2NO₂ (г), известно, что разложение N₂O₄ – эндотермическая реакция:

 

N₂O₄ (г) ⇆ 2NO₂ (г) ΔH = + 14,1 ккал

 

Из наших наблюдений следует, что повышение температуры благоприятствует образованию NO₂(бурая окраска становится более интенсивной). Легко заметить, что это находится в соответствии с принципом Ле Шателье. Повышение температуры вызывается притоком тепла. При более высокой температуре равновесие смещается в сторону образования NO₂. При образовании NO₂поглощается часть тепла, за счет которого происходило повышение температуры.

 

При нагревании воды повышается ее давление пара. Это согласуется с принципом Ле Шателье, поскольку при испарении жидкости поглощается тепло. Это поглощение тепла, сопровождающее установление нового состояния равновесия, частично компенсирует рост температуры, вызывающей сдвиг равновесия.

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 33

1. Нормальный водородный электрод. Стандартный электродный потенциал. Ряд напряжений металлов.

2. Сильные и слабые электролиты. Степень электролитической диссоциации.