4. Динамическое равновесие элементарных физико-химических процессов

Все физико-химические процессы, протекающие в макроскопических системах, являются обратимыми на атомном уровне рассмотрения. Последнее означает, что параллельно с каждым элементарным атомным процессом (назовем его условно – прямым) протекает обратный ему процесс, противодействующий протеканию прямого процесса. Некоторые примеры обратимого характера протекания элементарных процессов приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Примеры обратимых физико-химических процессов.

№ п/п	Элементарный физико-химический процесс.
	“прямой процесс”	“обратный процесс”
1	Адсорбция атомов	Десорбция атомов
2	Ионизация атома	Рекомбинация иона
3	Поглощение фотона	Испускание фотона
4	Диссоциация	Ассоциация
5	Реакция разложения	Реакция соединения
6	Реакция окисления	Реакция восстановления

В результате протекания прямых и обратных процессов, в физико-химической системе устанавливается динамическое равновесие, при котором скорости протекания прямого и обратного процессов становятся одинаковыми. Анализ условия динамического равновесия между прямыми и обратными процессами, протекающими в атомно-молекулярных системах, можно проиллюстрировать на примере химического процесса, являющегося типичным представителем широкого круга элементарных физико-химических процессов протекающих по механизму, получившему условное название «рождение- гибель»:

(6)

где: А – атомы реагента; В – атомы продукта; К_п, К_о – соответственно константы скорости протекания прямого и обратного химического процесса, определяемые в виде:

		(7)
		(8)

где: К_п0, К_о0 – постоянные для данного химического процесса величины; W_ап, W_ао - соответственно энергии активации протекания прямого и обратного химического процесса.

Скорости прямого (_п) и обратного (_о) химических процессов можно представить в виде:

	;	(9)
	,	(10)

где: A , В - текущие концентрации реагента и продукта в системе.

В условиях химического равновесия, т.е. при выполнении условия: _п = _о, на основании выражений (9) и (10) имеем:

(11)

где: A_р, В_р - соответственно равновесные концентрации реагента и продукта; К_{р –} константа равновесия химического процесса при динамическом равновесии.

Таким образом, факт химического равновесия в системе свидетельствует о существовании определенного соотношения между равновесными концентрациями атомов (молекул) реагента и продукта (что свидетельствует о принципиальной невозможности достижения полной переработки реагента в продукт). Последнее обстоятельства представляется весьма важным в практическом плане, когда речь идет о технологии создании высокоупорядоченных структур, поскольку оно выдвигает принципиальные ограничения (по своей сути постулирует невозможность) на пути достижения 100% качества обработки материалов. Данный момент характерен не только для случая химических процессов, но и для всей совокупности физико-химических процессов, используемых в технологической практике создания изделий. В этой связи, как конструктору, так и технологу изделия необходимо учитывать это обстоятельство на всех этапах конструкторско-технологической проработки изделия.

В рассмотренном случае статистические факторы нашли свое проявление в выражениях (7) и (8). Более наглядно этот момент представлен на рисунке 3, на котором отображены полные функции энергетического распределения ансамблей атомов (молекул) реагента и продукта по энергии в различные моменты времени на пути установления динамического равновесия в системе.

Центральным моментом рисунка 3 является то обстоятельство, что площади под кривыми распределения реагента уменьшаются (ввиду протекания прямого химического процесса) со временем, а площади продукта - увеличиваются. Этот процесс продолжается до тех пор, пока концентрации активных частиц для прямого и обратного процессов не сравняются.

Рисунок 3. Эволюция полных функций распределения

молекул реагента и продукта по энергии со временем.

В последнем случае говорят, что имеет место динамическое равновесие в химической системе. Таким образом, понятие о «динамическом равновесии», характеризует тот факт, что равновесные концентрации реагента и продукта удовлетворяют условию (3.60), но при этом в системе непрерывно происходят прямые и обратные процессы типа «рождение - гибель» на элементарном (атомном) уровне рассмотрения.