5. Химическое равновесие

Химические реакции делятся на необратимые и обратимые. Необратимые протекают только в прямом направлении (до полного израсходования одного из реагирующих веществ), обратимые протекают как в прямом, так и в обратном направлениях (при этом ни одно из реагирующих веществ не расходуется полностью). Рассмотрим следующую реакцию:

aA + bB dD + fF

Согласно закону действия масс скорости прямой υ_пр и обратной υ_обр реакций будут соответственно равны:

υ_пр = υ_обр =

В момент смешивания веществ А и В скорость прямой реакции будет максимальной. Затем вещества А и В постепенно расходуются и скорость прямой реакции уменьшается. Получившиеся вещества D и F начнут реагировать друг с другом, и скорость обратной реакции будет непрерывно возрастать по мере увеличения концентрации веществ D и F. В определенный момент времени скорость прямой реакции станет равна скорости обратной реакции.

Состояние системы, при котором скорость прямой реакции (υ₁) равна скорости обратной реакции (υ₂)_, называется химическим равновесием. Концентрации реагирующих веществ, которые устанавливаются при химическом равновесии, называются равновесными.

Для обратимых процессов закон действия масс может быть сформулирован в следующем виде: отношение произведения концентраций продуктов реакции в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам, к произведению концентраций исходных веществ в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам, является величиной постоянной при данной температуре. Эта величина называется константой равновесия. Равновесные концентрации принято обозначать не символом «С_А», а формулой вещества, помещенной в квадратные скобки, например, , а константу равновесия, выражаемую через концентрации – К_С. Для обратимой реакции aA+bB dD+fF математическое выражение закона действия масс имеет вид: .

Для конкретной гомогенной реакций: 2СО + О₂ ↔ 2СО₂

Для гетерогенной реакции СО_2(г) + С_(к) = 2СО_(г) . В математическое выражение ЗДМ для гетерогенных систем твердая фаза не входит.

Константа равновесия зависит от природы реагирующих веществ, температуры и не зависит от концентрации и присутствия катализатора.

Химическое равновесие остается неизменным до тех пор, пока условия равновесия (концентрация, температура, давление), при которых оно установилось, сохраняются постоянными. При изменении условий равновесие нарушается. Через некоторое время в системе вновь наступает равновесие, характеризующееся новым равенством скоростей и новыми равновесными концентрациями всех веществ. Переход системы из одного равновесного состояния в другое называется смещением равновесия.

Направление смещения равновесия определяется принципом Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказывать внешнее воздействие, то равновесие смещается в направлении, которое ослабляет эффект внешнего воздействия.

Факторы, влияющие на смещение равновесия

1. Давление (характерно для газов).

Увеличение давления смещает равновесие в сторону реакции, идущей с уменьшением числа молекул газа, т.е. в сторону понижения давления. Например, в реакции 2SO₂ + O₂ ↔ 2SO₃ в левой части уравнения 3 молекулы газа, а в правой – 2, поэтому при повышении давления равновесие смещается вправо.

2. Температура.

Увеличение температуры смещает положение равновесия в сторону эндотермической реакции, понижение – в сторону экзотермической реакции. Например, в равновесной системе N₂ + 3H₂ ↔ 2NH₃, ∆H⁰ = -92 кДж повышение температуры приводит к смещению равновесия в сторону обратной (эндотермической) реакции, понижение – в сторону прямой (экзотермической) реакции.

3. Концентрация.

Увеличение концентрации исходных веществ и удаление продуктов из сферы реакции смещает равновесие в сторону прямой реакции. Уменьшение концентрации исходных веществ и увеличение концентрации продуктов реакции смещает равновесие в сторону обратной реакции. Например, в реакции

2NO + O₂ ↔ 2NO₂ увеличение концентрации NO и O₂ или уменьшении концентрации NO₂ приводит к смещению равновесия в сторону прямой реакции. Увеличение концентрации NO₂ – в сторону обратной реакции.

4. Катализаторы.

Катализаторы не смещают равновесия. Они уменьшают время, необходимое для достижения равновесия. Во сколько раз катализаторы ускоряют прямую реакцию, во столько же раз они ускоряют и обратную реакцию.