Сдвиг равновесия под влиянием концентрации реагирующих веществ.

Концентрация реагирующих веществ оказывает сильное влияние на выход целевых продуктов. Возьмем реакцию в общей форме:

А + В → R + S

K = C_R ∙ C_S/C_A ∙ C_B величина постоянная при данной температуре.

Константа равновесия будет равна отношению концентрации конечных продуктов на концентрацию исходных веществ.

К – величина постоянная, при данной температуре.

Допустим, увеличили концентрацию исходных веществ C_A и C_B , возрастает знаменатель, чтобы const равновесия оставалась постоянной, нужно увеличить числитель, т.е. повышается концентрация продуктов реакции. И наоборот, при уменьшении концентрации продуктов реакции, соответственно уменьшается концентрация исходных реагентов, т.о. увеличивается степень их переработки.

Эти способы на практике используются для сдвига равновесия в сторону целевого продукта, т.е. для увеличения выхода.

Рассмотрим примеры практического осуществления этих приемов:

Схема 1. Процесс обычно осуществляется по циркуляционной (циклической системе). (1 – реактор, 2 – конденсатор )

Уменьшается концентрация продуктов реакции путем вывода веществ. Увеличивается концентрация исходных веществ за счет рециркуляции.

Смесь исходных веществ А и В поступает в реактор [1] в котором происходит химическое взаимодействие между реагентами. На выходе из реактора в газовой смеси содержится продукт реакции и не прореагировавшие исходные реагенты А и В. Газовая смесь поступает в конденсатор [2], где она охлаждается, при этом продукт реакции R конденсируется и выводится из системы, а исходные реагенты А и В возвращается в процесс.

Схема 2.

1, 2, 5 – реактор

3, 4 – конденсатор

Уменьшение концентраций продуктов реакции за счет вывода продукта R, а затем S.

Сдвиг равновесия под влиянием температуры.

В соответствии с принципом Ле Шателье, если на систему находящуюся в равновесии, воздействовать извне путем изменения какого-либо условия, определяющего положение равновесия, то в этой системе усиливается такой процесс, течении которого ослабляет влияние произведенного воздействия. При этом положение равновесия смещается в соответствующем направлении.

Для реакций, протекающих в газовой фазе по уравнению:

2SO₂ + O₂ → 2SO₃ + Н – реакция экзотермическая, так как выделяет тепло в окружающую среду.

При равновесии справедлива следующая формула:

P – парциальное давление

R – газовая постоянная

T – абсолютная температура.

Если под внешним воздействием изменяется значение одного из членов равенства, то равновесие нарушается, так как равновесие характеризуется скоростью прямой и обратной реакции. Равновесие смещается в том случае, если произведенное воздействие не одинаково влияет на скорости прямой и обратной реакции. Это нарушение равенства скорости и приводит к переходу системы в новое состояние равновесия, при котором скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции, но их значения будут отличаться от первоначальных значений.

Возьмем экзотермическую реакцию

SO₂ + ¹/₂O₂^_ SO₃ + H

Согласно принципу Ле Шателье, чтобы увеличить выход SO₃, т.е. сместить равновесие в сторону образования конечного продукта SO₃ необходимо систему охладить, т.е. организовать отвод тепла, т.к. за счет выделяющегося тепла повышается температура реакционной смеси, и равновесие сдвигается влево и равновесная концентрация целевого продукта SO₃ уменьшается.

Для эндотермической реакции:

CH₄ + H₂O ^_ CO + 3H₂ - H.

метан

Чтобы равновесие сместилось в сторону прямой реакции необходимо организовать подвод тепла в систему.

График зависимости равновесной степени превращения от температуры.

1 – экзотермическая реакция

2 – эндотермическая реакция.

Сдвиг равновесия под влиянием давления.

Давление – является также важным фактором, с помощью которого в производственных условиях регулируют равновесием химических процессов, и следовательно, изменяют максимально возможную степень использования сырья. Качественное влияние изменения давления на равновесие химических реакций можно установить также на основе принципа Ле-Шателье. Рассмотрим 3 реакции, в которых общий объем газа в процессе реакции изменяется в различной степени:

В 1 реакции – объем газов уменьшается, во 2 реакции – увеличивается, в 3 реакции – остается без изменений.

N₂ + 3H₂ ^_ 2NH₃

OH₄ ^_ C + 2H₂

CO + H₂O ^_ H₂ + CO₂.

1-я реакция протекает с уменьшением объема, т.к. из 4-х молекул газа

(1 молекула азота + 3 молекулы водорода) образуется 2 молекулы аммиака, следовательно, уменьшается давление, то по принципу Ле-Шателье, для смещения равновесия слева на право, необходимо повысить давление, что на практике и делают – процесс ведут под давлением 32 Мпа.

Для 2-й реакции, протекающей с увеличением объема, следовательно, и с увеличением давления нужно понижать давление.

Для 3-й реакции ничего не нужно делать, т.к объем системы, не изменяется, т.е. не зависит от давления.