Хімічна рівновага. Рівновага в гомогенних реакціях, Константа рівноваги.
Часто напрям реакції залежить від умов її проведення. Наприклад, за звичайних умов переважно відбувається реакція:
Однак при нагріванні до високої температури майже до тисячі градусів, починає переважати зворотна реакція розкладання кальцій карбонату:
Проте часто трапляється, що перебіг прямої і зворотної реакцій можливий за однакових умов. Зокрема, і наведена реакція при проміжних значеннях температури може відбуватися в обох напрямках.
Реакції, які при заданих умовах відбуваються як у прямому, так і у зворотному напрямках, називають оборотними.
При записі рівнянь таких реакцій замість знаку рівності використовують протилежно спрямовані стрілки:
В оборотних реакціях співвідношення кількостей реагентів і продуктів залежить від швидкостей прямої і зворотної реакцій. Якщо швидкість прямої реакції перевищує швидкість зворотної, то в одиницю часу утвориться більше продуктів, і реакція в основному йде зліва направо; якщо ж більша швидкість зворотної реакції, то утворяться головним чином вихідні речовини, і реакція протікає справа наліво.
Оборотні процеси дуже поширені. До них відносяться дисоціація води і слабких кислот, взаємодія водню із бромом, йодом і азотом.
Хімічна рівновага
Оборотні реакції ніколи не відбуваються до кінця. Розглянемо взаємодію водню з йодом з утворенням йодоводню. Нехай у початковий момент часу в посудині перебувають лише реагенти — водень та йод — і концентрації їх максимальні. Молекули Н2 і І2 починають взаємодіяти одна з одною — відбувається пряма реакція. Швидкість цієї реакції в початковий момент часу є максимальною і зменшується в міру того, як вихідні речовини витрачаються:
навпаки, зворотна реакція в початковий момент часу взагалі не відбувається, а зі зростанням концентрації продукту реакції — йодоводню — її швидкість збільшується. Нарешті, в якийсь момент часу швидкості прямої і зворотної реакцій стають рівними, а концентрації реагентів і продукту реакції перестають змінюватися із часом (такі концентрації називають рівноважними). Наступає хімічна рівновага. Хімічна рівновага — стан, при якому кількості всіх речовин, що беруть участь в оборотній реакції, не змінюються з часом.
У стані рівноваги виникає помилкове враження, начебто в системі нічого не відбувається. Насправді і пряма і зворотна реакції відбуваються одночасно і з однаковими швидкостями: скільки продуктів утворюється в одиницю часу в результаті прямої реакції, стільки ж і витрачається у зворотній. Хімічна рівновага має динамічний характер.
Динамічний характер рівноваги вам може проілюструвати простий приклад. Уявіть собі ріку, по якій проти течії пливе човен. Якщо швидкість човна дорівнює швидкості течії, виникає оманне відчуття, що човен не рухається — його положення щодо берегів буде незмінним.
Склад рівноважної суміші може бути різним залежно від умов. Якщо в суміші більше продуктів, ніж реагентів, то говорять, що рівновага зсунута вправо, у бік продуктів реакції. Якщо ж у суміші переважають реагенти, то вважають, що рівновага зсунута вліво.
Положення рівноваги не залежить від того, з якого боку до нього наближатися: з боку реагентів чи з боку продуктів реакції. Наприклад, рівноважна суміш, отримана нагріванням йодоводню до 450 °С, містить 76% йодоводню за об’ємом. Якщо ж до цієї температури нагріти суміш рівних кількостей водню і йоду, то в рівноважній суміші знову буде 76% йодоводню. Про це свідчить закон діючих мас, згідно з яким відношення добутку рівноважних концентрацій продуктів реакцій до добутку концентрацій реагентів у ступені їх стехіометричних коефіцієнтів є постійним і не залежить від концентрації речовин. Це відношення називають константою хімічної рівноваги. Так, наприклад, для рівноваги синтезу йодоводню математичний вираз для константи рівноваги виявляється наступним:
де квадратними дужками позначаються рівноважні концентрації відповідних речовин.