Химическое равновесие

Итак, химические реакции могут проходить как в прямом, так и в обратном направлении. Такие реакции называются обратимыми. В том случае, когда состав системы с течением времени не изменяется, состояние такой химической системы называют химическим равновесием. В этом состоянии противоположно направленные реакции имеют одинаковые скорости. Следовательно, химическое равновесие является динамическим (подвижным).

Следовательно, при равенстве скоростей прямой и обратной реакции (v _пр = v _обр) наступает химическое равновесие. Например, для реакции

Н₂ +Сl₂ ⇆ 2Н Сl v _пр = К_пр. · v _обр. = К_обр. 

В состоянии равновесия v _пр = v _обр. При равенстве левых частей уравнения приравниваются и правые части К_пр   = К_обр = К_обр 

Количественно химическое равновесие характеризуется константой равновесия (К_р.) Выражение для константы химического равновесия является выражениями закона действия масс одновременно для прямой и обратной реакции. Константа равновесия есть отношение констант скоростей реакции при данной температуре.

Для реакции 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О при равновесии . Если разделить каждую часть равенства на произведение , то получим

.

Это отношение носит название константы равновесия и обозначается К_р, Константу равновесия можно определить как отношение констант скоростей прямой и обратной реакций или как отношение произведения концентрации продуктов реакции в степени их стехиометрических коэффициентов на произведение концентрации исходных веществ в степени их стехиометрических коэффициентов .

Константа равновесия зависит от природы веществ и температуры, но не зависит от концентрации.

Однако состояние химического равновесия, в котором находится любая система, сохраняется до тех пор, пока не изменяются внешние условия. В этом случае прямая и обратная реакции меняются не одинаково, и система уже не будет находиться в состоянии равновесия, происходит смещение химического равновесия. Закономерности, которые отмечаются при смещении химического равновесия, качественно описываются принципом Ле Шателье (1884 г.).

Принцип Ле Шателье: при всяком внешнем воздействии на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, в ней протекают процессы, приводящие к уменьшению этого воздействия.

Поэтому при увеличении концентрации одного из веществ, составляющих систему, происходит стремление к усиленному расходу именно этого вещества и равновесие уменьшается в сторону снижения концентрации. Например, при повышении концентрации кислорода или водорода равновесие реакции 2Н_2(г) + О_2(г) ⇆ 2Н₂О_(п) сместится в сторону образования воды.

При изменении давления происходит изменение объема в процессе химической реакции. Следовательно, при увеличении давления равновесие смещается в направлении реакции, идущей с уменьшением числа молекул, и, наоборот, понижение давления вызывает смещения равновесия в сторону реакции с увеличением числа молекул. Например, в реакции 2Н₂ + О₂ ⇄ 2Н₂О увеличение давления ведет к смещению равновесия в сторону образования воды.

При повышении температуры ускоряются прямая и обратная реакции, но в большей мере ускоряются эндотермические, поэтому равновесие смещается в направлении эндотермического процесса. Например, реакция 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О в прямом направлении протекает с выделением тепла (Н < О, Q > О), а в обратном направлении – с поглощением тепла (Н > О, Q <О). При увеличении температуры равновесие может сместиться в сторону образования водорода и кислорода при разложении воды, т.е. в сторону эндотермической реакции.