3.2 Хімічна рівновага

Усі хімічні реакції можна поділити на оборотні і необоротні. Реакцію відносять до оборотних, якщо в системі одночасно із взаємодією реагентів, яка призводить до утворення продуктів реакції (пряма реакція), відбувається перетворення продуктів назад у реагенти (зворотна реакція). Тобто, оборотні реакції складаються з двох реакцій, які перебігають у протилежних напрямках.

Хімічною рівновагою називається стан системи, коли швидкості прямої і зворотної реакцій однакові, а концентрації реагентів та продуктів реакції, які в цьому випадку називають рівноважними, не змінюються. Кількісною характеристикою стану рівноваги є константа рівноваги – величина, що дорівнює відношенню добутку концентрацій продуктів реакції, узятих у ступенях, що дорівнюють їх стехіометричним коефіцієнтам, до добутку концентрацій регентів у ступенях, рівних їх стехіометричним коефіцієнтам. Так, для реакції:

aA + bB ⇄ dD + rR

константа рівноваги, виражена через концентрації буде дорівнювати:

, (3.3)

де С_А , С_В, С_D і C_R – рівноважні концентрації відповідних реагуючих речовин.

Якщо ж у реакції приймають участь газоподібні речовини, то константу рівноваги (К_p) можна виражати через їх парціальні тиски. Зв'язок між К_p і К_с для оборотної хімічної реакції має вигляд:

, (3.4)

де n – різниця між кількістю молів газоподібних продуктів реакції і реагентів.

Хімічна рівновага носить динамічний характер і під час змін умов, за яких перебігає реакція, зміщується. Зміщення рівноваги відбувається за принципом Ле-Шательє: «Якщо на систему, що знаходиться в рівновазі чиниться зовнішня дія, то рівновага зміщується у бік тієї з двох протилежних реакцій, яка послаблює цю дію». Так, при збільшенні концентрації реагентів рівновага зміщується у бік утворення продуктів реакції, а при доданні в систему продуктів – у бік регентів. Підвищення тиску зміщує рівновагу у бік реакції, що йде із зменшенням числа молів газів, а зменшення тиску – навпаки. Підвищення температури зміщує рівновагу у бік ендотермічної реакції, зниження температури – у бік екзотермічної реакції.

3.3 Хімічна спорідненість

Для систем, де за сталого тиску (об'єму) і температури перебігають оборотні хімічні реакції, G (F) визначають за рівнянням ізотерми Вант-Гоффа:

, (3.5)

, (3.6)

де і – нерівноважні парціальні тиски і концентрації реагентів і продуктів реакції. Якщо розраховані значення будуть негативним (G0 і F0) у системі перебігає пряма реакція, якщо ж G0 або F0, то має місце зворотна реакція; значення G=0 або F =0 відповідають досягненню стану рівноваги.

Величини F і G є критеріями хімічної спорідненості речовин – тобто їх здатності вступати у хімічну взаємодію. Чим більші значення F і G за абсолютною величиною, тим інтенсивніше йде реакція. Під час перебігу хімічних реакцій за стандартних умов, величини G⁰ і F⁰визначають за формулами:

(3.7)

(3.8)

На лекції надаються приклади розрахунку констант рівноваги конкретних хімічних реакцій та зміщення рівноваги в цих реакціях при зміні умов їх перебігу.