2.2. Химическое равновесие

Реакции, идущие одновременно в двух противоположных, на­правлениях (прямом и обратном), называют обратимыми. Для любой обратимой гомогенной реакции:

аА + вВ  сС -dD.

В начальный момент времени, согласно закону действующих масс, скорость прямой реакции: = ∙C^a_A-C^b_B , имеет макси­мальное значение, а скорость обратной реакции = -C^c_c-D^d_D равна нулю. Со временем концентрация исходных веществ - реа­гентов (А и В) уменьшается, а продуктов реакции (С и D) возраста­ет и, следовательно, уменьшается скорость прямой и возрастает скорость обратной реакции. Наступает момент, когда обе скорости становятся равными (= ), что соответствует равновесному со­стоянию системы. Концентрации реагентов и продуктов реакции, установившиеся к моменту равновесии, называются равновесными [А], [В], [С], [D], они остаются постоянными до нарушения хими­ческого равновесия.

Равновесное состояние химической системы характеризуется по закону действующих масс константой равновесия (К_р).

13

Для гомогенной реакции в общем виде выражение К_p имеет вид:

Это выражение позволяет рассчитать К_p по известным равно­весным концентрациям всех веществ гомогенной реакции или кон­центрацию отдельного из веществ по известным концентрациям остальных веществ и К_Р.

Для гетерогенных реакций в выражение константы равновесия не входят концентрации веществ, находящиеся в конденсирован­ном состоянии ввиду их постоянства. Для гетерогенной обратимой реакции в общем виде:

аА(г) + вВ(к)  сС(к) +dD(г) выражение для константы равновесия имеет вид:

Например, для гетерогенной реакции

С

Для реакции

(к) + СО₂(г) 2СО(г) константа равновесия имеет вид:

При протекании реакции в прямом направлении до состояния равновесия происходит уменьшение концентрации реагентов на величины С_А и С_В и увеличение концентраций продуктов на ве­личины С_С и Со, определяемые выражениями для реагентов:

где С_0,(А), С_0,(B), С_0,(C), С_0,(D) - исходные концентрации реагентов и продуктов реакции. Эти выражения позволяют рассчитать равно­весные концентрации веществ по начальным концентрациям реа­гентов при известном значении К_р (и наоборот).

14

Пример 1. При некоторой температуре константа равновесия реакции: Н₂ (г) + I₂ (г)  2HI (г) равна 1. Определите состав равно-­ весной реакционной смеси, если для реакции были взяты 1 моль/л Н₂ и 2 моль/л I₂.

Решение. Задача сводится к определению равновесных кон­центраций реагентов и продуктов реакции через константу равно­весия. Запишем выражение константы равновесия:

Равновесные концентрации представляют собой концентрации реагентов, не вступивших в реакцию к моменту установления рав­новесия, и концентрации продуктов реакции, образовавшихся к моменту равновесия. Эти концентрации можно рассчитать из уравнения реакции:

Н₂ (г) +I₂ (г) 2HI (г).

Начальная концентрация: 1 2 0

К моменту равновесия:

1) прореагировало, ∆С х х

2) осталось 1-х 2-х

3) образовалось 2х

Таким образом, равновесные концентрации исходных веществ и продуктов реакции составляют:

[H₂] = C_H2-x = (l-x),

[I₂] = С₁₂-х = (2-х), .

[HI] = 2х, так как из уравнения видно, что HI образуется в 2 раза больше, чем реагирует Н₂ или I₂. С₀,_(H2) и С₀, ₍₁₂₎ - исходные концентрации Н₂ и I₂.

15

Подставляя эти значения в выражение константы равновесия, получим:

(второй корень уравнения является отрицательным и физического смысла не имеет).

По достижении равновесия состав реакционной смеси был сле­дующий:

[Н₂] = (1 - 0,45) = 0,55 моль/л,

[I₂] = (2 - 0,45) = 1,55 моль/л,

[HI] = 2∙0,45 = 0,9 моль/л.

Пример 2. При некоторой температуре в системе 2NO₂ (г) 

 2NO (г) + О₂(г); равновесная концентрация О₂ становится рав­ной 0,2 моль/л, а К_p = 12,8. Определите начальную концентрацию реагента.

Решение. 2NO2 (г)  2NO (г) + О₂(г);

n_i, моль по уравн. 2 2 1

С₀, моль/л ? 0 0

[ ], моль/л ? 2[О₂] 0,2

С_о,(N02) = [NO₂] + ∆С_NO2; ∆C_N02= ∆C_NO; ∆C_NO= [NO] = 2[O₂]