Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:А ты хочешь знать химию. Учебно-справочное пособие для старшеклассников и абитуриентов
.pdf
мым, что при химическом равновесии химические реакции
не прекращаются.
§ 58. Смещение химического равновесия и факторы,
влияющие на смещение химического равновесия
Принцип Ле Шателье. Закономерное влияние изменения
внешних условий (например, изменения температуры, давления, концентрации исходных веществ и продуктов реакции)
на состояние равновесия обратимых химических реакций
установлено в 1884 году французским учёным Ле Шателье.
Правило или принцип Ле Шателье заключается в следующем:
Если на систему, находящуюся в равновесии, оказать
какое-либо внешнее воздействие, то в системе усиливаются
процессы, стремящиеся свести это воздействие к минимуму.
Для облегчения понимания принципа Ле Шателье посмотрим, что будет происходить с металлической пружиной при
её сжимании или растяжении. Если прилагать какую-то определённую внешнюю силу для сжатия, то пружина сжимает-
ся. Однако при этом возникают и всё более увеличиваются
силы её упругости, т. е. нарастает противодействие и пружина
стремится растянуться и вернуться к своему первоначальному
состоянию. Если же растягивать пружину, то она стремится
сжаться и вернуться к своему первоначальному состоянию. То
есть на каждое действие возникает про тиводей ст вие, которое стремится свести это действие к минимуму.
Применительно к рассматриваемым нами обратимым реакциям мы можем сформулировать этот принцип так:
Если изменить концентрацию веществ, температуру,
давление, то в системе, находящейся в равновесии, увеличивается скорость той из двух обратимых реакций, которая оказывает действие, противоположное внешнему воздействию.
Но при любом изменении внешнего воздействия через
какой-то промежуток времени скорости прямой и обратной реакций опять сравняются и установится новое
химическое равновесие, которое будет отличаться от предыдущего химического равновесия величиной равновесных концентраций.
Например, при первом химическом равновесии равновесная концентрация аммиака
нении концентрации веществ и дальнейшем установлении
[NH3] была 20 моль/л, а при изме-
141
нового, второго химического равновесия равновесная концентрация аммиака
[NH3] стала 60 моль/л. Эти данные говорят
о том, что произошло изменение в состоянии физико-химической
системы, произошёл сдвиг химического равновесия
или произошло смещение химического равновесия в сторону прямой ре ак ции — вправо.
В зависимости от природы взятых веществ и от условий
проведения реакций в равновесной смеси, т. е. в физикохимической системе при установившемся химическом равновесии, будут присутствовать различные количества исходных
веществ и продуктов реакции. Говорят, что равновесие сме-
щается вправо, т. е. в сторону образования продуктов прямой реакции, или равновесие смещается влево, т. е. в сторону образования исходных веществ, в результате изменения
того или иного фактора, как например, изменения концентраций реагирующих веществ, изменения температуры или
изменения давления.
Что же такое «смещение (или сдвиг) химического равновесия»?
Смещение (или сдвиг) химического равновесия — это
переход физико-химической системы из одного состояния
химического равновесия в другое, которое отличается от
предыдушего величиной равновесных концентраций веществ физико-химической системы.
Рассмотрим влияние различных факторов внешнего воздействия на сдвиг химического равновесия в соответствии с
принципом Ле Шателье:
Влияние изменения концентраций веществ, входящих в физико-химическую систему, на сдвиг химического
равновесия.
Действие этого принципа нужно понимать так: если уменьшается концентрация какого-либо вещества в системе, то увеличивается скорость той реакции, в которой это вещество образуется и, наоборот, при увеличении концентрации какоголибо вещества увеличивается скорость той реакции, в которой
данное вещество используется, т. е. система будет стремиться
уменьшить его концентрацию.
Предположим, что в процессе синтеза аммиака мы хотим
добиться лучшего использования азота и водорода для получения большего количества аммиака, т. е. хотим сместить химическое равновесие вправо. Для этого можно уменьшить
концентрацию аммиака путём отвода образующегося аммиака из системы.
142
Допустим, что система N2 + 3H2 2NH3 заключена в ёмкости, позволяющей осуществлять отвод аммиака. Неизбежным результатом этого явится уменьшение концентрации аммиака и по принципу Ле Шателье система будет стремиться
свести это воздействие к минимуму, т. е. будет стремиться
увеличить концентрацию аммиака, а это возможно лишь при
увеличении скорости прямой реакции — реакции соединения азота с водородом, идущей с образованием аммиака (смещение равновесия происходит вправо (
) — в сторону пря-
мой реакции).
Если же мы хотим полнее использовать аммиак с целью
получения азота или водорода, следует увеличивать концентрацию аммиака путём введения его в сосуд извне. Концентрация аммиака будет увеличиваться, а система по принципу
Ле Шателье будет стремиться её уменьшить, следовательно
будет увеличиваться скорость обратной реакции — реакции
разложения аммиака (смещение равновесия происходит влево (
) — в сторону обратной реакции). Данное рассуждение
об использовании аммиака с целью получить водород и азот —
чисто теоретическое, так как на практике в процессе синтеза
аммиака заинтересованы получить аммиак.
Влияние изменения температуры на смещение или
сдвиг химического равновесия.
Принцип Ле Шателье к условиям экзо- и эндотермических
реакций: охлаждение (отвод тепла) будет способствовать, т. е.
увеличивать скорость той реакции, в которой выделяется теплота, т. е. экзотермической реакции и, наоборот, нагревание
системы будет способствовать той реакции, т. е. увеличивать
скорость той реакции, в которой теплота поглощается, т. е.
эндотермической реакции.
Термохимическое уравнение N
+ 3H2 2NH3 + 92 кДж
2
показывает, что соединение азота с водородом сопровождается выделением теплоты (прямая реакция — экзотермическая), а разложение аммиака — её поглощением (обратная
реакция — эндотермическая). При проведении этой реакции
без отвода теплоты температура в системе будет постоянно повышаться за счёт тепла прямой экзотермической реакции.
Повышение температуры приведёт к увеличению скорости
обратной эндотермической реакции, т. е. к разложению аммиака и к уменьшению концентрации аммиака, что, в свою
очередь, приведёт к увеличению скорости прямой экзо термической реакции. В результате чего установится новое
химическое равновесие с меньшим выходом аммиака. Новое
143
равновесие установится тогда, когда концентрация азота и
водорода возрастёт настолько, что выделяемое при их взаимо-
действии количество теплоты станет равно количеству
теплоты, которое расходуется на разложение аммиака.
При проведении этой реакции в промышленности в
производстве аммиака производят отвод тепла, приводящий
к понижению температуры. Понижение температуры
способствует ускорению прямой экзотермической реакции,
которая приводит к увеличению концентрации аммиака, что
в конечном счёте приведёт к установлению нового химического
равновесия, но с большим выходом аммиака.
Следовательно, при нагревании равновесной системы
равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, при охлаждении — в сторону экзотермической реакции.
Влияние изменения давления на смещение химического равновесия.
Изменение давления имеет существенное
значение только при реакциях между газами.
Напомним, что давление газов создаётся силой ударов молекул о поверхность ёмкости, в которой находятся газы. Чем
больше молекул приходится на единицу поверхности ёмкости, тем больше будет давление, и, наоборот.
Принцип Ле Шателье при изменении внешнего давления:
при увеличении давления на систему, она будет стремиться
уменьшить давление за счёт образования меньшего числа молекул, т. е. увеличение давления будет способствовать увеличению скорости той химической реакции, которая приводит
к образованию меньшего числа молекул, и при уменьшении
внешнего давления, система будет стремиться увеличить давление за счёт образования большего числа молекул, т. е.
уменьшение внешнего давления будет способствовать увеличению скорости той реакции, которая приводит к образованию большего числа молекул и наоборот.
При взаимодействии газов можно представить два случая:
1) Суммарное число молей исходных веществ и продуктов
реакции неодинаковое. Отсюда и суммарные объёмы газов,
вступающих в реакцию и образующихся в результате реакции веществ, будут неодинаковые.
N
+ 3H2 2NH3 + 92 кДж.
2
Из этого уравнения следует, что четыре моля (1 моль азота + 3 моля водорода) исходных веществ образуют два моля
144
аммиака продукта реакции и прямая реакция протекает с
уменьшением числа молекул, а, следовательно, обратная реакция протекает с увеличением числа молекул веществ.
Если при установившемся равновесии повысить внешнее
давление, то система будет стремиться уменьшить давление, а это значит смещение химического равновесия будет в
сторону прямой реакции, т. е. в сторону образования меньшего числа молекул, т. е. в сторону образования аммиака.
Концентрация аммиака будет увеличиваться, а концентрации азота и водорода будут уменьшаться, а поэтому скорость прямой реакции будет уменьшаться, а скорость обратной реакции по мере увеличения концентрации аммиака будет увеличиваться и через какой-то промежуток времени
опять наступает новое химическое равновесие.
Если же понизить внешнее давление, то система будет
стремиться его повысить за счёт образования большего числа молекул и, следовательно, равновесие будет смещаться в
сторону образования азота и водорода, т. е. в сторону разложения аммиака.
При повышении давления смещение равновесия происходит в сторону образования меньшего числа молекул, а
при понижении давления смещение равновесия происходит
в сторону образования большего числа молекул.
2) Суммарное число молей исходных веществ равно сум-
марному числу молей продуктов реакции. Рассмотрим следу-
ющую реакцию:
N
+ O2 2NO.
2
Если вдвое увеличить давление в закрытом реакционном
сосуде, то объём газов уменьшится тоже вдвое, а значит соответственно вдвое увеличится и концентрация газов. Скорость
прямой и обратной реакций возрастает, но в равное число
раз. Поэтому смещения химического равновесия при этом не
произойдёт.
Если общее число молекул в левой и правой частях уравнения реакции одинаково, изменение давления не влияет
на состояние химического равновесия.
Так как занимаемые жидкими и твёрдыми веществами
объёмы лишь очень мало меняются в процессе реакции, изменение давления почти не влияет на равновесие подобных систем. В смешанных случаях, когда одновременно имеются вещества в различных агрегатных состояниях, для учёта влияния давления на равновесие практическое значение имеет
только число молекул газообразных веществ.
145
Пример. Пусть имется система СО2 + С 2СО. В этой си-
стеме газами являются только СО
и СО (тогда как С — твёр-
2
дое вещество). Поэтому повышение давления будет смещать
рассматриваемое равновесие влево, а понижение давления —
вправо.
В зависимости от природы взятых веществ и от условий
протекания реакций в равновесной смеси будут присутствовать различные количества исходных веществ и продуктов
реакции.
Во всех выше рассмотренных примерах влияния изменения концентрации веществ, температуры и давления
мы говорим, что происходит смещение химического равновесия и, как результат этих изменений, система переходит из одного состояния равновесия в другое состояние
равновесия, т. е. происходит смещение химического равновесия.
На протекание химических процессов существенно влияют катализаторы. Введение катализатора в равновесную систему не может вызвать смещения равновесия, так как катализатор, ускоряя прямую реакцию, в такой же мере ускоряет
и обратную реакцию. Однако введение катализатора позво-
ляет добиваться наступления равновесия в более короткие
сроки.
Из приведённых выше примеров мы можем видеть, что изменяя концентрации веществ физико-химической системы,
изменяя температуру и давления, можно влиять на ход обратимых реакций, увеличивая скорость или прямой, или обратной реакции.
Знания о факторах, влияющих на смещение химического
равновесия обратимых процессов, дают возможность регулировать процессы и сознательно выбирать условия их протекания в заданном направлении.
Вопросы и задания
по теме «Основные закономерности течения химических реакций»:
1. Что такое исходные вещества?
2. Что такое продукты реакции?
3. Что такое экзотермическая реакция? Приведите пример экзо-
термической реакции.
4. Что такое эндотермическая реакция? Приведите пример эндо-
термической реакции.
146
5. Что такое тепловой эффект химической реакции?
6. Что такое молярная концентрация вещества?
7. Какова единица измерения молярной концентрации?
8. Что такое гомогенная реакция? Приведите пример гомогенной
реакции.
9. Что такое гетерогенная реакция? Приведите пример гетерогенной реакции.
10. Что такое физическая величина? Приведите пример основной
и производной физических величин.
11. Какова функция любой физической величины? Какие глаголы нужно использовать для описания функции физической величины?
12. Что показывает суффикс «ост» в слове скорость?
13. Какова единица измерения скорости машины?
14. Что такое скорость химической реакции?
15. Какова единица измерения скорости химической реакции?
16. Назовите факторы, влияющие на скорость химической реакции.
17. Приведите пример, иллюстрирующий влияние концентрации
веществ на скорость химической реакции.
18. Приведите пример, иллюстрирующий влияние степени измельчённости вещества на скорость химической реакции.
19. Объясните причины влияния температуры на скорость химической реакции.
20. Что такое активные молекулы?
21. Почему увеличение давления ведёт к увеличению скорости химической реакции, в которой участвуют газообразные вещества.
22. Что такое катализатор?
23. Что такое ингибитор?
24. Что такое катализ?
25. Что такое каталитическая реакция? Приведите пример каталитической реакции.
26. Что такое обратимые реакции? Приведите пример обратимых
реакций.
27. Что собой представляет знак обратимости химической реакции?
28. Какую реакцию показывает стрелка, указывающая направление слева направо?
29. Какую реакцию показывает стрелка, указывающая направление справа налево?
30. Что такое физико-химическая система?
31. Что такое химическое равновесие?
32. Почему химическое равновесие называется динамическим?
147
33. Что такое равновесные концентрации?
34. В чём заключается принцип или правило Ле Шателье?
35. Что такое смещение химического равновесия?
36. О чём говорит выражение «химическое равновесие смещено
вправо»?
37. О чём говорит выражение «химическое равновесие смещено
влево»?
38. Какие факторы влияют на смещение химического равнове-
сия?
39. Как влияет изменение температуры на смещение химического
равновесия?
40. Как влияет изменение концентрации веществ на смещение
химического равновесия?
41. Как влияет изменение давления на смещение химического
равновесия?
42. Оказывает ли влияние катализатор на смещение химического
равновесия?
§ 59. Производство серной кислоты
Значение того или иного производства определяется значением выпускаемым на нём продукта. По объёму производства серной кислоты судят об экономическом потенциале
страны, так как серная кислота используется при получении
других очень важных продуктов: неорганических кислот (соляной, азотной, фосфорной и др.), щелочей, солей, минеральных удобрений, хлора. Серную кислоту применяют в производстве взрывчатых веществ, искусственного волокна, красителей, пластмасс и многих других.
Большое количество серной кислоты идёт на очистку нефтепродуктов — бензина, керосина и смазочных масел от
вредных примесей.
В основе производства серной кислоты лежат три основных химических процесса — три основных стадии:
1-я стадия — получение оксида серы (IV) из какого-либо
вида сырья;
2-я стадия — окисление оксида серы (IV) в оксид серы
(VI);
3-я стадия — гидратация оксида серы (VI).
148
Получение оксида серы (IV) — 1-я стадия производства
Сырьём для производства оксида серы (IV) — сернистого
газа может быть: природная сера S; сероводород H
S, который
2
выделяют из природного газа или получают в каком-либо другом производстве, например, при производстве кокса; серный
колчедан (железный колчедан), основу которого составляет
минерал пирит FeS
.
2
Оксид серы (IV) образуется как отход производства, например, при получении металлов из сульфидов металлов, и
на больших комбинатах его используют для получения серной кислоты.
В основе получения оксида серы (IV) из серного колчедана, лежит химическая реакция:
4FeS
+ 11O2
2
= 2Fe
+ 8SO2 + Q.
2O3
Характеристика реакции:
необратимая;
гетерогенная (FeS2, Fe2O3 — твёрдые вещества, а Ο2,
SΟ
— газы);
2
некаталитическая;
экзотермическая.
Исходя из этой характеристики, подбирают оптимальные
(лучшие для данной реакции — с точки зрения увеличения
скорости химической реакции и с точки зрения экономичности производства) условия проведения реакции.
Поскольку реакция необратимая, нет необходимости подбирать условия для смещения химического равно весия, а поэтому
обращают внимание на факторы, влияющие на увеличение скорости реакции. Одним из таких факторов является концентрация реагирующих веществ. Учитывая этот фактор, для проведения данной реакции самым лучшим вариантом было бы использование чистого кислорода, но с экономической точки зрения
это невыгодно, а поэтому используют воздух, в который добавляют определённое количество кислорода — повы шение концентрации кисло рода. В этой реакции используют неочищенный воздух, так как реакция — некаталитическая. (В случае
каталити ческой реакции требуется очистка воздуха, так как
поверх ность катализаторов очень быстро загрязняется посторонними примесями и ядовитыми для них веществами, и катализаторы быстро выходят из строя.) Для повышения концентрации серного колчедана в сырье, которое используют в данном
производстве, из него удаляют различные примеси на специальных обогатительных фабриках.
149
Данная реакция — гетерогенная, а это значит, что
скорость реакции будет зависеть от величины поверхности
соприкосновения серного колчедана с кислородом. Для этого
серный колчедан измельчают, но и в этом случае необходимо
подобрать оптимальный размер частиц: если частицы будут
очень мелкие, то они будут увлекаться током воздуха из зоны
реакции, а поэтому подбирают определённый размер частиц;
подбирают также и скорость, с которой будет подаваться
воздух. Большая скорость реакции достигается, если реакцию
проводят в «кипящем слое» — когда через слой частичек
продувают с определённой скоростью воздух в виде большого
числа мелких струек; при этом слой из частиц серного
колчедана разрыхляется и частицы своими поверхностями не
соприкасаются друг с другом, а воздух обтекает каждую
частицу со всех сторон.
При проведении данной реакции используют противоток
(серный колчедан подают в реакционный аппарат, который в
данном процессе называют — печь обжига серного
колчедана — сверху, а воздух продувают снизу), который
позволяет полнее использовать вещества, так как при
противотоке достигается контакт веществ при их наибольшей
концентрации.
Реакция взаимодействия серного колчедана с кислородом — экзотермическая, это значит, что по мере протекания
реакции температура в зоне реакции будет повышаться и
повышаться. С одной стороны, это хорошо, так как повышение
температуры увеличивает скорость реакции, но с другой
стороны, при достижении температуры выше 800 °С частицы
серного колчедана начинают спекаться, образуя частицы
более крупного размера; в результате спекания частиц
уменьшается поверхность соприкосновения между серным
колчеданом и кислородом и нарушается «кипящий слой».
И чтобы сделать условия реакции наиболее оптимальными,
необходимо поддерживать температуру достаточно высокую,
но не выше 800 °С, а для этого производят отвод тепла —
в печи обжига помещают трубки парового котла, через
которые пропускают холодную воду, которая за счёт теплоты
реакции превращается в водяной пар, который, в свою
очередь, используется для производства электроэнергии и
для других целей.
150
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]