Равновесный состав смеси и направление реакции

Упомянутый выше "коэффициент реакции" Q (другие обозначения, встречающиеся в литературе -   или  , "произведение реакции")

отражает соотношение текущих активностей всех участников реакции и может быть использован для определения направления реакции в момент, для которого известен Q [4]

Если в момент t коэффициент Q > K, то текущие активности продуктов больше равновесных, и значит они должны уменьшиться к тому моменту, когда установится равновесие, то есть в данный момент протекает обратная реакция;

Если Q = K, то равновесное состояние достигнуто и скорости прямой и обратной реакций равны;

Если Q < K, то 

С использованием величины   записывается уравнение изотермы химической реакции[1]

Где   - стехиометрические коэффициенты (для продуктов - со знаком "+", для исходных веществ - со знаком "-"; так же, как и в выражениях для Q и K), а   - химические потенциалы а стандартная энергия Гиббса и стандартная константа суть

Где   - стандартные химические потенциалы

Уравнение изотермы показывает, как величина Q связана с изменением свободной энергии реакции:

при   для прямой реакции  , то есть   для продуктов прямой реакции больше, чем для исходных веществ - это означает, что прямая реакция запрещена (значит, не запрещена обратная);

при   для прямой реакции  , то есть реакция достигла равновесного состояния;

при   для прямой реакции  , то есть эта самопроизвольное протекание этой реакции разрешено

Величина   по определению имеет смысл только для состояния равновесия, то есть для состояния с   и  . Величина   ничего не говорит о скоростях реакций, но она описывает состав системы в состоянии равновесия.

Если K >> 1, то в системе преобладают продукты (прямой) реакции

Если K << 1, то в системе преобладают исходные вещества (продукты обратной реакции)[5]

Стандартные состояния

Стандартная энергия Гиббса реакции в газовой смеси — энергия Гиббса реакции при стандартных парциальных давлениях всех компонентов, равных 0,1013 МПа (1 атм). Стандартная энергия Гиббса реакции в растворе — энергия Гиббса при стандартном состоянии раствора, за которое принимают гипотетический раствор со свойствамипредельно разбавленного раствора, но с концентрацией всех реагентов, равной единице. Для чистого вещества и жидкости стандартная энергия Гиббса совпадает с энергией Гиббса образования этих веществ. Величина стандартной энергии Гиббса реакции может быть использована для приближенной оценки термодинамической возможности протекания реакции в данном направлении, если начальные условия не сильно отличаются от стандартных. Кроме того, сравнивая величины стандартной энергии Гиббса нескольких реакций, можно выбрать наиболее предпочтительные, для которых   имеет наибольшую по модулю отрицательную величину.

Кинетическое описание

Для обратимой химической реакции константа равновесия K_eq может быть выражена через константы скоростипрямых и обратных реакций. Рассмотрим элементарную обратимую химическую реакцию первого порядка

По определению, равновесие задаётся условием  , то есть равенством скоростей прямой и обратной реакций.

В соответствии с законом действующих масс 

где k — константа скорости соответствующей реакции, а   — равновесные активности реагентов этой реакции, возведённые в степени, равные их стехиометрическим коэффициентам

можно записать условие равновесия в виде

То есть

(см. термодинамическое описание константы равновесия), что возможно только если

Это важное соотношение даёт одну из «точек соприкосновения» химической кинетики и химической термодинамики[4][6].