Тема 7. Хімічна рівновага

Стан системи реагуючих речовин (оборотної реакції), за яким швидкості прямої та зворотної реакцій стають однаковими, називається хімічною рівновагою.

В стані хімічної рівноваги кількості вихідних речовин і продуктів реакції не змінюються, оскільки реакція відбувається в обох напрямках з однаковими швидкостями. Ось чому стан хімічної рівноваги має рухомий, динамічний характер.

З точки зору хімічної термодинаміки в стані хімічної рівноваги енергія Гіббса системи має найменше значення.

Кількісною характеристикою хімічної рівноваги є її константа. Для реакції:

aА + вВ = dD = fF

,

де [ ] позначають рівноважну концентрацію.

Для будь-якої реакції константу рівноваги можна записати:

де - добуток концентрацій кінцевих та початкових речовин в ступенях, що дорівнюють стехіометричним коефіцієнтам.

Константа хімічної рівноваги визначає глибину перебігу процесу в момент досягнення стану рівноваги. За допомогою константи рівноваги можна обчислювати рівноважні концентрації речовин, що беруть участь в реакції.

Приклад 17.

Вихідні концентрації хлору та водню в реакції синтезу хлороводню складали 1 моль/л. Визначити рівноважну концентрацію хлороводню після досягнення стану рівноваги. Константа рівноваги для цієї реакції дорівнює 4.

Розв'язання.

Запишемо рівняння реакції: H₂ + Cl₂ = 2HCl.

Нехай до моменту встановлення рівноваги концентрація хлору зменшилась на Х моль/л, тоді концентрація водню теж зменшиться на Х моль/л (за рівнянням реакції хлор та водень реагують у співвідношенні 1:1) . Концентрація хлороводню буде складати 2Х ( з рівняння реакції бачимо, що з 1 моль Cl₂ утворюється 2 моль хлороводню)

Запишемо рівноважні концентрації всіх речовин, що беруть участь в реакції:

H₂ – (1–Х)

Cl₂ – (1–Х)

HCl – (2Х)

Підставимо ці концентрації у вираз для константи рівноваги.

, звідси х = 0,5, 1–х = 0,5, 2х = 1.

Відповідь: концентрації водню та хлору будуть 0.5 моль/л, а концентрація хлороводню буде 1 моль/л.

Приклад 18.

В посудині об'ємом 0,5 л змішали 0.5 моля водню та 1.0 моль вуглекислого газу. Обчислити константу рівноваги реакції:

CO₂ + H₂ = CO + H₂O_(г) ,

якщо відомо, що до моменту встановлення рівноваги прореагувало 50% водню.

Розв'язання.

До моменту встановлення рівноваги прореагувало (0.550)/100=0,25 моль водню. Згідно з рівнянням реакції, прореагувало вуглекислого газу 0,25 моль і утворилось води та оксиду вуглецю (ІІ) по 0,25 моль. Рівноважні кількості (CO₂, H₂, CO, H₂O) складуть 0.75; 0,25; 0,25; 0,25 моль. Концентрації цих речовин відповідно складуть: ( С=n/V): 1,5; 0,5; 0,5; 0,5 моль/л.

Термодинаміка дає універсальне співвідношення між стандартною зміною енергії Гіббса і величиною константи хімічної рівноваги:

G⁰ = –RTlnK.

Приклад 19.

За допомогою таблиць стандартних термодинамічних величин визначити константу рівноваги реакції синтезу аміаку.

Розв'язання.

1. Запишемо рівняння реакції: N₂ + 3H₂ = 2 NH₃

2. За допомогою таблиць стандартних термодинамічних величин розрахуємо зміну енергії Гіббса для цієї реакції:

G⁰_х.р.= 2 G⁰_f(NH₃) – G⁰_f(N₂) – 3G⁰_f(H₂) = 2 (–16,7) = –33,4 кДж/моль

3. Розрахуємо константу рівноваги.

G⁰ = –RTlnK, lnK = – G⁰/RT = 33,4·10³/(8.314298) =13,4; К = е^13,4 =

= 6.6 10⁵.

Принцип Ле–Шательє (принцип рухомої (динамічної)) рівноваги:

якщо на систему, що перебуває у стані рівноваги, подіяти ззовні, то в системі відбуватимуться зміни, що послаблюють або знищують цю дію.

Вплив концентрації на стан рівноваги.

Згідно з принципом Ле–Шательє, введення в систему, що перебуває в стані рівноваги, додаткової кількості будь-якої з реагуючих речовин викликає зміщення рівноваги у тому напрямку, в якому її концентрація зменшується

Вплив тиску на стан рівноваги.

Згідно з принципом ле Шательє, підвищення тиску зумовлює зміщення хімічної рівноваги в напрямку процесу, який супроводжується зменшенням об'єму, а зниження тиску — викликає зміщення рівноваги у протилежний бік.

Вплив температури на стан рівноваги.

Згідно з принципом Ле–Шательє, під час нагрівання системи, що перебуває в стані рівноваги, остання зміщується в бік того з двох протилежноспрямованих процесів, який супроводжується поглинанням теплоти.