Влияние изменения концентрации веществ на смещение химического равновесия. Принцип Ле-Шателье

При изменении равновесных концентраций исходных веществ и продуктов реакции путем воздействия на систему происходит смещение химического равновесия. Если увеличиваются равновесные концентрации продуктов реакции, то говорят о смещении равновесия вправо. Если при внешнем воздействии увеличиваются концентрации исходных веществ, то говорят о смещении равновесия влево.

Характер смещения равновесия можно прогнозировать, применяя принцип французского ученого Ле-Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказывается внешнее воздействие, то равновесие смещается в том направлении, которое ослабляет внешнее воздействие.

Принцип Ле-Шателье следует из закона действующих масс. Если система находится при постоянной температуре, то константа равновесия при внешних воздействиях остается постоянной. Поэтому любое изменение равновесных концентраций веществ должно приводить к такому изменению равновесных концентраций других веществ, чтобы соблюдалось постоянство константы равновесия.

Рассмотрим процесс конверсии метана:

CH₄ + 2H₂O = CO₂ + 4H₂ ,

Константа равновесия этого процесса имеет вид:

К_с = [CO₂] [H₂]⁴/[CH₄] [H₂O]².

1. Рассмотрим, как влияет изменение концентраций на смещение равновесия. При увеличении концентрации метана СН₄ равновесие системы нарушается, идет прямая реакция. Концентрации продуктов реакции СО₂ и Н₂ увеличиваются, а концентрации Н₂О уменьшается. Процесс будет протекать до тех пор, пока не установится новое равновесие. Новые равновесные концентрации компонентов будут такими, что константа равновесия не изменится. Если увеличить концентрацию СО₂, то по принципу Ле-Шателье равновесие сместится влево.

2. Если в результате реакции изменяется число молей газообразных веществ, то изменяется общее давление в системе и происходит смещение равновесия. В соответствии с принципом Ле-Шателье увеличение общего давления вызывает смещение равновесия в сторону уменьшения числа молей газообразных веществ, т.е. в сторону уменьшения давления. Для рассматриваемой реакции увеличение давления должно смещать равновесие влево (слева- 3 моля, справа – 5 молей).

3. С увеличением температуры равновесие смещается в сторону эндотермических реакций, т.е. реакций протекающих с поглощением теплоты, понижение – в сторону экзотермических реакций.

Итак, принцип Ле-Шателье позволяет создавать такие условия протекания реакции, которые обеспечивают максимальный выход продуктов реакции.

Влияние температуры на константу равновесия

Согласно принципу Ле-Шателье, при повышении температуры происходит смещение равновесия в сторону эндотермической реакции, то есть реакции, идущей с поглощением тепла. При понижении температуры равновесие смешается в направлении экзотермической реакции, идущей с выделением тепла.

Пример 1. Для экзотермической обратимой реакции

2SO_2(г) + O_2(г) ↔ 2SO_3(г) ; ΔH = -239 кДж/моль

повышение температуры вызовет смешение равновесия влево (в сторону разложения SO₃ на SO₂ и O₂); понижение температуры сместит равновесие вправо (в сторону образования молекул SO₃). Изменение температуры отразится на величине константы равновесия, т.к. в зависимости от природы веществ увеличение температуры на одинаковое число градусов вызовет неодинаковое увеличение скорости обеих реакций, вследствие чего концентрации веществ изменяются не пропорционально, и константа равновесия, соответственно, увеличивается или уменьшается.