Это состояние системы называется состоянием химического равновесия

В состоянии химического равновесия в системе не наблюдается никаких видимых изменений. Так, например, концентрации всех веществ могут сколь угодно долго оставаться неизменными, если на систему не оказывать внешнего воздействия. Это постоянство концентраций в системе, находящейся в состоянии химического равновесия, совсем не означает отсутствия взаимодействия и объясняется тем, что прямая и обратная реакции протекают с одинаковой скоростью. Такое состояние также называют истинным химическим равновесием. Таким образом, истинное химическое равновесие является динамическим равновесием.

От истинного равновесия следует отличать равновесие ложное. Постоянство параметров системы (концентраций веществ, давления, температуры) является необходимым, но недостаточным признаком истинного химического равновесия. Это можно пояснить следующим примером. Взаимодействие азота и водорода с образованием аммиака, как и разложение аммиака, протекает с заметной скоростью при высокой температуре (около 500 С). Если при комнатной температуре смешивать в любых соотношениях водород, азот и аммиак, то реакция N₂ + 3 H₂ ⇆ 2 NH₃

протекать не будет, и все параметры системы будут сохранять постоянное значение. Однако в данном случае равновесие является ложным, а не истинным, т.к. оно не является динамическим; в системе отсутствует химическое взаимодействие: скорость как прямой, так и обратной реакции равна нулю.

При дальнейшем изложении материала термин «химическое равновесие» будет использоваться применительно к истинному химическому равновесию.

2 Константа равновесия

Химическое равновесие – это состояние химической системы, при котором скорости прямой и обратной реакций равны и не изменяются во времени.

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

Количественной характеристикой системы в состоянии химического равновесия является константа равновесия k.

Итак, при равновесии V_пр = V_об

или k_пр · [A]·[B] = k_об · [С] · [D]

откуда – константа химического равновесия:

Как быть, если реакции характеризуются наличием отличных от единицы коэффициентов:

Например: выражение константы равновесия для реакции синтеза аммиака имеет следующий вид:

N₂+3H₂ ⇆ 2NH₃

К_равн = [NH₃]² / [N₂] · [H₂]³

Таким образом, численная величина константы химического равновесия равна отношению произведения равновесных концентраций продуктов реакции к произведению равновесных концентраций исходных веществ, причём концентрация каждого вещества должна быть возведена в степень, равную стехиометрическому коэффициенту в уравнении реакции.

Важно понимать, что константа равновесия выражается через равновесные концентрации, но не зависит от них; напротив, соотношение равновесных концентраций участвующих в реакции веществ будет таким, чтобы соответствовать константе равновесия. Константа равновесия зависит от природы реагирующих веществ и температуры и представляет собой постоянную (при постоянной температуре) величину.

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.

Если К ≈ 1, то равновесные концентрации исходных веществ и продуктов реакции сопоставимы; реакция в заметной степени протекает как в прямом, так и в обратном направлении.

Следует иметь в виду, что в выражение константы равновесия входят концентрации только тех веществ, которые находятся в газовой фазе или в растворённом состоянии (если реакция протекает в растворе). Если в реакции участвует твёрдое вещество, то взаимодействие происходит на его поверхности, поэтому концентрация твёрдого вещества принимается постоянной и не записывается в выражение константы равновесия.

Например:

CO_{2 (газ)} + C _(тв.) ⇆ 2 CO _(газ)

К_равн = [СО]² / [СО₂]

CaCO_{3 (тв.)} ⇆ CaO _(тв.) + CO_{2 (газ)}

К_равн = [СО₂]

Ca₃(PO₄)_{2 (тв.)} ⇆ 3Ca²⁺ _{(раствор)} + 2PO₄^3–_{(раствор)}

К_равн = [Са⁺²]³ · [PO₄^3–]²