6.3 Химическое равновесие

Рассмотрим обратимую реакцию:

A + В = D + F

Скорости прямой и обратной реакции выражаются уравнениями:

₍₁₃₎

₍₁₄₎

В начальный момент времени, когда концентрации исходных веществ С_А и С_В максимальны, скорость прямой реакции тоже максимальна. С течением времени скорость прямой реакции уменьшается. Реакция приводит к образованию D и F, молекулы которых, сталкиваясь, могут вновь реагировать, давая A и B. Чем выше концентрация D и F (С_D и С_F), тем вероятнее обратный процесс и тем выше скорость обратной реакции.

На рисунке 6.4 изображен график зависимостей скоростей прямой и обратной реакций от времени. По мере прохождения реакции наступает такой момент, когда скорости прямой и обратной реакций становятся равными, кривые исливаются в одну прямую линию, параллельную оси времени. Такое состояние системы называется состоянием химического равновесия.

Итак, будем называть химическим равновесием состояние химической системы, не изменяющееся во времени и достижимое с двух противоположных сторон. Иначе говоря, химическое равновесие – это общий предел прямой и обратной реакции.

В состоянии равновесия скорости прямой и обратной реакций равны. Таким образом, химическое равновесие является равновесием динамическим, т.е. в состоянии равновесия химическое взаимодействие не прекращается, одновременно протекают прямая и обратная реакции, причем за единицу времени образуется такое же количество продуктов реакции, сколько их превращается в исходные вещества, в результате чего концентрации веществ, участвующих в равновесии, остаются постоянными.

Рисунок 6.4 – Зависимости скоростей прямой и обратной реакций от времени

Состав реакционной смеси, соответствующий состоянию равновесия, называется равновесным составом, а концентрации веществ, находящихся в равновесии, называются равновесными концентрациями.

Итак, при равновесии скорости прямой и обратной реакций равны, значит:

_{, (15)}

где [A], [B] и [D], [F] – равновесные концентрации исходных веществ и продуктов реакции соответственно.

Тогда константа химического равновесия:

₍₁₆₎

Равновесный состав зависит от природы веществ, участвующих в равновесии, от соотношения количеств исходных веществ, а также от внешних условий (температуры, давления). При изменении любого из этих факторов равновесный состав изменяется − равновесие смещается.

Если реакции характеризуются наличием отличных от единицы коэффициентов: аА + bВ dD + fF, в таком случае:

(17)

Получившееся уравнение – математическая запись закона действующих масс: для одной и той же температуры отношение произведений равновесных концентраций веществ (в степенях их стехиометрических коэффициентов) в правой и левой частях уравнения химической реакции представляет постоянную величину.

В уравнение входят только те концентрации веществ, которые могут изменяться в ходе реакции. Концентрации твердых веществ, а также концентрация растворителя (если реакция протекает в растворе) в уравнение не входят.

Численная величина константы равновесия зависит от температуры, но не зависит от концентрации веществ в равновесной системе. Это значит, что при изменении концентрации одного из веществ концентрации других веществ изменяются за счет протекания реакции в ту или иную сторону таким образом, что константа равновесия остается постоянной. Это правило действует достаточно точно при небольших концентрациях веществ. В некоторых случаях при высоких концентрациях величина константы равновесия может несколько меняться в зависимости от концентрации веществ.

Константа равновесия − одна из важнейших характеристик химической системы, позволяющая судить о возможности протекания того или иного химического процесса и глубины его протекания.

Если К>>1, процесс сильно сдвинут в сторону получения продуктов реакции. Реакция пройдет достаточно глубоко, почти до конца, т. е. исходные вещества, взятые в стехиометрическом соотношении, вступят в реакцию практически полностью.

Если К<<1, наоборот, процесс сдвинут влево и практически не идет. Это означает, что, взяв чистые исходные вещества, удастся провести реакцию при этих условиях (при данной температуре) лишь в незначительной степени.

При К=1 в равновесной смеси концентрации исходных веществ и продуктов реакций одинаковы.