Ligevægt forstås normalt som særlig tilstand system eller krop, når alle de påvirkninger, der udøves på det, kompenserer hinanden. Eller er helt fraværende. I kemi anvendes begrebet ligevægt på reaktioner, der forekommer mellem forskellige stoffer eller rettere, til betingelserne for deres forekomst.
Begrebet ligevægt
Kemiske reaktioner har mange klassifikationer iflg forskellige tegn, men når man taler om kemisk ligevægt, skal man huske hvad reversible og irreversible reaktioner er.
Hvis en reaktion resulterer i dannelsen af produkter, der ikke interagerer med hinanden, taler vi om ikke-reaktion. reversible reaktioner, det vil sige, at de kun går i fremadgående retning. Typisk er et af produkterne i dem en gasformig, let dissocierende eller uopløselig forbindelse. For eksempel:
Pb(NO3)2 + 2ΗCl<―>PbCl2 ↓ + 2HNO3
Na2CO3 + 2ΗCl<―>2NaCl + CO 2 + Η 2 O
NaOΗ + ΗCl<―>NaCl + Η2O
Produkterne af reversible reaktioner er i stand til at interagere med hinanden og danner derved udgangsstofferne, det vil sige, at der forekommer to modsat rettede reaktioner samtidigt. Hvis på et tidspunkt, under visse betingelser, hastigheden af den fremadrettede reaktion er lig med hastigheden af den omvendte reaktion, så kemisk ligevægt.
Det skal nævnes, at en sådan ligevægt karakteriseres som dynamisk. Med andre ord fortsætter begge reaktioner, men koncentrationsværdierne for alle dens deltagere forbliver uændrede og kaldes ligevægt.
Matematisk udtrykkes denne tilstand ved hjælp af ligevægtskonstanten (Kp). Lad der være en vekselvirkning af stoffer beskrevet af ligningen aΑ + bB<―>сС + dD. For modsatte reaktioner kan vi nedskrive formler til beregning af deres hastigheder gennem loven om massevirkning. Da disse hastigheder i en ligevægtstilstand vil være ens, kan vi udtrykke forholdet mellem hastighedskonstanterne for to modsatte reaktioner. Dette er hvad der numerisk vil være lig med ligevægtskonstanten.
K p-værdien hjælper med at bestemme fuldstændigheden af de opståede reaktioner. Hvis K r<1, то реакция в прямом направлении почти не протекает. Если К р >1, så forskydes ligevægten mod produkterne.
Typer af balance
Kemisk ligevægt kan være sand, tilsyneladende eller falsk. Til ægte balance tegn observeres:
- Hvis der ikke er nogen ekstern påvirkning, så er den konstant over tid.
- Hvis ydre påvirkninger ændrer sig (dette vedrører temperatur, tryk osv.), så ændres systemets tilstand også. Men så snart de oprindelige værdier af betingelserne er returneret, genoprettes balancen øjeblikkeligt.
- En tilstand af ægte balance kan opnås både fra siden af produkterne kemisk reaktion, og fra udgangsmaterialerne.
Hvis mindst en af disse betingelser ikke er opfyldt, så siges en sådan ligevægt at være tilsyneladende (metastabil). Hvis systemets tilstand begynder at ændre sig irreversibelt, når ydre forhold ændrer sig, kaldes en sådan ligevægt falsk (eller hæmmet). Et eksempel på sidstnævnte er jerns reaktion med oxygen.
Ligevægtsbegrebet er noget anderledes fra termodynamikkens og kinetikkens synspunkter. Under termodynamisk ligevægt er forstået minimumsværdi Gibbs energi til et bestemt system. Ægte ligevægt er karakteriseret ved ΔG = 0. Og om en tilstand, hvor hastighederne for fremadgående og omvendte reaktioner er ens, det vil sige v 1 = v 2, siger de, at en sådan ligevægt er - kinetisk.
Le Chateliers princip
Henri Le Chatelier studerede mønstrene for skiftende ligevægt i det 19. århundrede, men Karl Brown opsummerede alle disse værker og formulerede senere princippet om at flytte ligevægt:
hvis et ligevægtssystem påvirkes udefra, vil ligevægten skifte i retning af at reducere den producerede effekt
Med andre ord, hvis et ligevægtssystem er udsat for nogen påvirkning, har det en tendens til at ændre sig på en sådan måde, at denne påvirkning er minimal.
Ligevægtsskifte
Lad os overveje konsekvenserne af Le Chateliers princip ved at bruge reaktionsligningen som eksempel:
N 2 + 3Η 2<―>2NΗ 3 + Q.
Hvis man øger temperaturen, vil ligevægten skifte mod den endoterme reaktion. I i dette eksempel der frigives varme, hvilket betyder, at den direkte reaktion er eksoterm, og ligevægten vil skifte til udgangsstofferne.
Hvis man øger trykket, vil dette føre til et skift i ligevægt til mindre volumener gasformige stoffer. I det givne eksempel er der 4 mol gasformige udgangsmaterialer og 2 mol gasformige produkter, hvilket betyder, at ligevægten vil skifte mod reaktionsprodukterne.
Hvis koncentrationen af udgangsstoffet øges, vil ligevægten skifte i retning af den fremadrettede reaktion og omvendt. Således, hvis du øger koncentrationerne af N 2 eller Η 2, så vil ligevægten skifte i fremadgående retning, og hvis ammoniak, så i den modsatte retning.
Kemisk ligevægt og principperne for dens forskydning (Le Chateliers princip)
I reversible reaktioner kan der under visse betingelser opstå en tilstand af kemisk ligevægt. Dette er en tilstand, hvor hastigheden af den omvendte reaktion bliver lige hastighed direkte reaktion. Men for at flytte ligevægten i den ene eller anden retning er det nødvendigt at ændre betingelserne for reaktionen. Princippet om at skifte ligevægt er Le Chateliers princip.
Centrale punkter:
1. Ydre indflydelse på et system, der er i en ligevægtstilstand, fører til et skift i denne ligevægt i den retning, hvor effekten af det frembragte stød svækkes.
2. Når koncentrationen af et af de reagerende stoffer stiger, skifter ligevægten mod forbruget af dette stof, når koncentrationen falder, skifter ligevægten mod dannelsen af dette stof.
3. Ved en trykstigning skifter ligevægten mod et fald i mængden af gasformige stoffer, det vil sige mod et trykfald; når trykket falder, skifter ligevægten mod stigende mængder af gasformige stoffer, altså mod stigende tryk. Hvis reaktionen fortsætter uden at ændre antallet af molekyler af gasformige stoffer, så påvirker trykket ikke ligevægtspositionen i dette system.
4. Når temperaturen stiger, skifter ligevægten mod den endoterme reaktion, og når temperaturen falder, mod den eksoterme reaktion.
For principperne takker vi manualen "Beginnings of Chemistry" Kuzmenko N.E., Eremin V.V., Popkov V.A.
Unified State Examination opgaver om kemisk ligevægt (tidligere A21)
Opgave nr. 1.
H2S(g) ↔ H2(g) + S(g) - Q
1. Øget tryk
2. Stigende temperatur
3. Nedsat tryk
Forklaring: Lad os først overveje reaktionen: alle stoffer er gasser og på højre side er der to molekyler af produkter, og til venstre er der kun én, reaktionen er også endoterm (-Q). Lad os derfor overveje ændringen i tryk og temperatur. Vi har brug for ligevægten til at skifte mod reaktionsprodukterne. Hvis vi øger trykket, så vil ligevægten skifte mod faldende volumen, altså mod reaktanterne - det passer os ikke. Hvis vi øger temperaturen, så vil ligevægten skifte mod den endoterme reaktion, i vores tilfælde mod produkterne, hvilket er det, der kræves. Det rigtige svar er 2.
Opgave nr. 2.
Kemisk ligevægt i systemet
SO3(g) + NO(g) ↔ SO2(g) + NO2(g) - Q
vil skifte mod dannelsen af reagenser, når:
1. Stigende NO-koncentration
2. Stigende SO2-koncentration
3. Temperaturstigninger
4. Øget tryk
Forklaring: alle stoffer er gasser, men volumen på højre og venstre side af ligningen er ens, så trykket vil ikke påvirke ligevægten i systemet. Overvej en ændring i temperaturen: Når temperaturen stiger, skifter ligevægten mod den endoterme reaktion, netop mod reaktanterne. Det rigtige svar er 3.
Opgave nr. 3.
I system
2NO2(g) ↔ N2O4(g) + Q
et skift af balance til venstre vil bidrage
1. Forøgelse af trykket
2. Stigning i N2O4-koncentration
3. Temperaturfald
4. Introduktion af katalysator
Forklaring: Lad os være opmærksomme på, at mængderne af gasformige stoffer på højre og venstre side af ligningen ikke er ens, derfor vil en trykændring påvirke ligevægten i dette system. Nemlig ved stigende tryk skifter ligevægten mod et fald i mængden af gasformige stoffer, altså til højre. Det her passer os ikke. Reaktionen er eksoterm, derfor vil en ændring i temperaturen påvirke systemets ligevægt. Når temperaturen falder, vil ligevægten skifte mod den eksoterme reaktion, altså også til højre. Når koncentrationen af N2O4 stiger, skifter ligevægten mod forbruget af dette stof, det vil sige til venstre. Det rigtige svar er 2.
Opgave nr. 4.
Som reaktion
2Fe(s) + 3H2O(g) ↔ 2Fe2O3(s) + 3H2(g) - Q
ligevægten vil skifte mod reaktionsprodukterne når
1. Øget tryk
2. Tilføjelse af en katalysator
3. Tilføjelse af jern
4. Tilsætning af vand
Forklaring: antallet af molekyler i højre og venstre del er det samme, så en trykændring vil ikke påvirke ligevægten i dette system. Lad os overveje en stigning i koncentrationen af jern - ligevægten skal skifte mod forbruget af dette stof, det vil sige til højre (mod reaktionsprodukterne). Det rigtige svar er 3.
Opgave nr. 5.
Kemisk ligevægt
H2O(l) + C(t) ↔ H2(g) + CO(g) - Q
vil skifte mod dannelsen af produkter i sagen
1. Øget tryk
2. Forøgelse af temperaturen
3. Forøgelse af procestiden
4. Katalysatorapplikationer
Forklaring: en trykændring vil ikke påvirke ligevægten i et givet system, da ikke alle stoffer er gasformige. Når temperaturen stiger, skifter ligevægten mod den endoterme reaktion, altså til højre (mod dannelsen af produkter). Det rigtige svar er 2.
Opgave nr. 6.
Når trykket stiger, vil den kemiske ligevægt skifte mod produkterne i systemet:
1. CH4(g) + 3S(s) ↔ CS2(g) + 2H2S(g) - Q
2. C(t) + CO2(g) ↔ 2CO(g) - Q
3. N2(g) + 3H2(g) ↔ 2NH3(g) + Q
4. Ca(HCO3)2(t) ↔ CaCO3(t) + CO2(g) + H2O(g) - Q
Forklaring: reaktion 1 og 4 er ikke påvirket af trykændringer, fordi ikke alle deltagende stoffer er gasformige; i ligning 2 er antallet af molekyler på højre og venstre side det samme, så trykket vil ikke påvirke. Ligning 3 forbliver. Lad os tjekke: med stigende tryk skulle ligevægten skifte mod faldende mængder af gasformige stoffer (4 molekyler til højre, 2 molekyler til venstre), altså mod reaktionsprodukterne. Det rigtige svar er 3.
Opgave nr. 7.
Påvirker ikke balanceskift
H2(g) + I2(g) ↔ 2HI(g) - Q
1. Forøgelse af tryk og tilsætning af katalysator
2. Hævelse af temperaturen og tilsætning af brint
3. Sænkning af temperaturen og tilsætning af hydrogeniodid
4. Tilsætning af jod og tilsætning af brint
Forklaring: i højre og venstre del er mængden af gasformige stoffer de samme, så en trykændring vil ikke påvirke ligevægten i systemet, og tilføjelse af en katalysator vil heller ikke påvirke den, for så snart vi tilføjer en katalysator, vil den direkte reaktion vil accelerere, og straks vil den omvendte og ligevægt i systemet blive genoprettet . Det rigtige svar er 1.
Opgave nr. 8.
At flytte ligevægten i en reaktion til højre
2NO(g) + O2(g) ↔ 2NO2(g); ΔH°<0
påkrævet
1. Introduktion af katalysator
2. Sænkning af temperaturen
3. Lavere tryk
4. Nedsat iltkoncentration
Forklaring: et fald i iltkoncentrationen vil føre til et skift i ligevægt mod reaktanterne (til venstre). Et fald i tryk vil flytte ligevægten mod et fald i mængden af gasformige stoffer, det vil sige til højre. Det rigtige svar er 3.
Opgave nr. 9.
Produktudbytte i en eksoterm reaktion
2NO(g) + O2(g) ↔ 2NO2(g)
med en samtidig stigning i temperatur og fald i tryk
1. Forøgelse
2. Vil falde
3. Vil ikke ændre sig
4. Først vil det stige, så vil det falde
Forklaring: når temperaturen stiger, skifter ligevægten mod den endoterme reaktion, altså mod produkterne, og når trykket falder, skifter ligevægten mod en stigning i mængderne af gasformige stoffer, altså også til venstre. Derfor vil produktudbyttet falde. Det rigtige svar er 2.
Opgave nr. 10.
Forøgelse af udbyttet af methanol i reaktionen
CO + 2H2 ↔ CH3OH + Q
fremmer
1. Forøgelse af temperaturen
2. Introduktion af katalysator
3. Introduktion af inhibitor
4. Øget tryk
Forklaring: med stigende tryk forskydes ligevægten mod den endoterme reaktion, altså mod reaktanterne. En stigning i tryk flytter ligevægten mod faldende mængder af gasformige stoffer, det vil sige mod dannelse af methanol. Det rigtige svar er 4.
Opgaver til selvstændig løsning (svar nedenfor)
1. I systemet
CO(g) + H2O(g) ↔ CO2(g) + H2(g)+ Q
et skift i kemisk ligevægt mod reaktionsprodukter vil blive lettet ved
1. Reduktion af tryk
2. Forøgelse af temperaturen
3. Forøgelse af kuliltekoncentrationen
4. Forøgelse af brintkoncentration
2. I hvilket system, når trykket stiger, skifter ligevægten mod reaktionsprodukterne?
1. 2СО2(g) ↔ 2СО2(g) + O2(g)
2. C2H4(g) ↔ C2H2(g) + H2(g)
3. PCl3(g) + Cl2(g) ↔ PCl5(g)
4. H2(g) + Cl2(g) ↔ 2HCl(g)
3. Kemisk ligevægt i systemet
2HBr(g) ↔ H2(g) + Br2(g) - Q
vil skifte mod reaktionsprodukterne når
1. Øget tryk
2. Stigende temperatur
3. Nedsat tryk
4. Brug af en katalysator
4. Kemisk ligevægt i systemet
C2H5OH + CH3COOH ↔ CH3COOC2H5 + H2O+ Q
skifter mod reaktionsprodukterne når
1. Tilsætning af vand
2. Reduktion af koncentrationen af eddikesyre
3. Stigende etherkoncentration
4. Ved fjernelse af ester
5. Kemisk ligevægt i systemet
2NO(g) + O2(g) ↔ 2NO2(g) + Q
skifter mod dannelsen af reaktionsproduktet når
1. Øget tryk
2. Stigende temperatur
3. Nedsat tryk
4. Anvendelse af katalysator
6. Kemisk ligevægt i systemet
CO2(g) + C(s) ↔ 2СО(g) - Q
vil skifte mod reaktionsprodukterne når
1. Øget tryk
2. Sænkning af temperaturen
3. Stigende CO-koncentration
4. Temperaturstigninger
7. Ændringer i tryk vil ikke påvirke tilstanden af kemisk ligevægt i systemet
1. 2NO(g) + O2(g) ↔ 2NO2(g)
2. N2(g) + 3H2(g) ↔ 2NH3(g)
3. 2CO(g) + O2(g) ↔ 2CO2(g)
4. N2(g) + O2(g) ↔ 2NO(g)
8. I hvilket system vil den kemiske ligevægt ved stigende tryk forskydes mod udgangsstofferne?
1. N2(g) + 3H2(g) ↔ 2NH3(g) + Q
2. N2O4(g) ↔ 2NO2(g) - Q
3. CO2(g) + H2(g) ↔ CO(g) + H2O(g) - Q
4. 4HCl(g) + O2(g) ↔ 2H2O(g) + 2Cl2(g) + Q
9. Kemisk ligevægt i systemet
С4Н10(g) ↔ С4Н6(g) + 2Н2(g) - Q
vil skifte mod reaktionsprodukterne når
1. Forøgelse af temperaturen
2. Sænkning af temperaturen
3. Brug af en katalysator
4. Reduktion af butankoncentrationen
10. Om tilstanden af kemisk ligevægt i systemet
H2(g) + I2(g) ↔ 2HI(g) -Q
påvirker ikke
1. Forøgelse af trykket
2. Forøgelse af jodkoncentrationen
3. Forøgelse af temperaturen
4. Reducer temperaturen
2016 opgaver
1. Etabler en overensstemmelse mellem ligningen for en kemisk reaktion og skiftet i kemisk ligevægt med stigende tryk i systemet.
Reaktionsligning Skift af kemisk ligevægt
A) N2(g) + O2(g) ↔ 2NO(g) - Q 1. Skifter mod den direkte reaktion
B) N2O4(g) ↔ 2NO2(g) - Q 2. Skifter mod den omvendte reaktion
B) CaCO3(s) ↔ CaO(s) + CO2(g) - Q 3. Der er ingen forskydning i ligevægt
D) Fe3O4(s) + 4CO(g) ↔ 3Fe(s) + 4CO2(g) + Q
2. Etabler en overensstemmelse mellem eksterne påvirkninger på systemet:
CO2(g) + C(s) ↔ 2СО(g) - Q
og et skift i kemisk ligevægt.
A. Forøgelse af CO-koncentration 1. Skifter mod den direkte reaktion
B. Fald i tryk 3. Der sker ingen ændring i ligevægt
3. Etabler en overensstemmelse mellem ydre påvirkninger på systemet
HCOOH(l) + C5H5OH(l) ↔ HCOOC2H5(l) + H2O(l) + Q
Ydre påvirkning Skift i kemisk ligevægt
A. Tilsætning af HCOOH 1. Skifter mod den direkte reaktion
B. Fortynding med vand 3. Der sker ingen ændring i ligevægt
D. Forøgelse af temperaturen
4. Etabler en overensstemmelse mellem eksterne påvirkninger på systemet
2NO(g) + O2(g) ↔ 2NO2(g) + Q
og et skift i kemisk ligevægt.
Ydre påvirkning Skift i kemisk ligevægt
A. Fald i tryk 1. Skifter mod den fremadrettede reaktion
B. Forøgelse af temperaturen 2. Skifter mod omvendt reaktion
B. Stigning i NO2-temperatur 3. Der sker ingen ligevægtsforskydning
D. Tilsætning af O2
5. Etabler en overensstemmelse mellem ydre påvirkninger på systemet
4NH3(g) + 3O2(g) ↔ 2N2(g) + 6H2O(g) + Q
og et skift i kemisk ligevægt.
Ydre påvirkning Skift i kemisk ligevægt
A. Fald i temperatur 1. Skift mod direkte reaktion
B. Forøgelse af tryk 2. Skifter mod omvendt reaktion
B. Forøgelse af koncentrationen i ammoniak 3. Der sker ingen forskydning i ligevægt
D. Fjernelse af vanddamp
6. Etabler en overensstemmelse mellem ydre påvirkninger på systemet
WO3(s) + 3H2(g) ↔ W(s) + 3H2O(g) +Q
og et skift i kemisk ligevægt.
Ydre påvirkning Skift i kemisk ligevægt
A. Temperaturstigning 1. Skifter mod en direkte reaktion
B. Forøgelse af tryk 2. Skifter mod omvendt reaktion
B. Brug af en katalysator 3. Der er ingen ændring i ligevægt
D. Fjernelse af vanddamp
7. Etabler en overensstemmelse mellem ydre påvirkninger på systemet
С4Н8(g) + Н2(g) ↔ С4Н10(g) + Q
og et skift i kemisk ligevægt.
Ydre påvirkning Skift i kemisk ligevægt
A. Forøgelse af brintkoncentration 1. Skifter mod en direkte reaktion
B. Forøgelse af temperaturen 2. Skifter mod omvendt reaktion
B. Forøgelse af tryk 3. Der sker ingen ændring i ligevægt
D. Anvendelse af en katalysator
8. Etabler en overensstemmelse mellem ligningen for en kemisk reaktion og en samtidig ændring af systemets parametre, hvilket fører til et skift i den kemiske ligevægt mod en direkte reaktion.
Reaktionsligning Ændring af systemparametre
A. H2(g) + F2(g) ↔ 2HF(g) + Q 1. Stigning i temperatur og brintkoncentration
B. H2(g) + I2(s) ↔ 2HI(g) -Q 2. Fald i temperatur og hydrogenkoncentration
B. CO(g) + H2O(g) ↔ CO2(g) + H2(g) + Q 3. Stigende temperatur og faldende brintkoncentration
D. C4H10(g) ↔ C4H6(g) + 2H2(g) -Q 4. Fald i temperatur og stigning i hydrogenkoncentration
9. Etabler en overensstemmelse mellem ligningen for en kemisk reaktion og skiftet i kemisk ligevægt med stigende tryk i systemet.
Reaktionsligning Retning af kemisk ligevægtsskift
A. 2HI(g) ↔ H2(g) + I2(s) 1. Skifter mod den direkte reaktion
B. C(g) + 2S(g) ↔ CS2(g) 2. Skifter mod den omvendte reaktion
B. C3H6(g) + H2(g) ↔ C3H8(g) 3. Der er ingen forskydning i ligevægt
G. H2(g) + F2(g) ↔ 2HF(g)
10. Etablere en overensstemmelse mellem ligningen for en kemisk reaktion og en samtidig ændring af betingelserne for dens gennemførelse, hvilket fører til et skift i den kemiske ligevægt mod en direkte reaktion.
Reaktionsligning Ændrede forhold
A. N2(g) + H2(g) ↔ 2NH3(g) + Q 1. Forøgelse af temperatur og tryk
B. N2O4(l) ↔ 2NO2(g) -Q 2. Fald i temperatur og tryk
B. CO2(g) + C(s) ↔ 2CO(g) + Q 3. Stigning i temperatur og fald i tryk
D. 4HCl(g) + O2(g) ↔ 2H2O(g) + 2Cl2(g) + Q 4. Fald i temperatur og stigning i tryk
Svar: 1 - 3, 2 - 3, 3 - 2, 4 - 4, 5 - 1, 6 - 4, 7 - 4, 8 - 2, 9 - 1, 10 - 1
1. 3223
2. 2111
3. 1322
4. 2221
5. 1211
6. 2312
7. 1211
8. 4133
9. 1113
10. 4322
For opgaverne takker vi øvelsessamlingerne for 2016, 2015, 2014, 2013, forfattere:
Kavernina A.A., Dobrotina D.Yu., Snastina M.G., Savinkina E.V., Zhiveinova O.G.
Hvis de ydre betingelser for en kemisk proces ikke ændres, så kan tilstanden af kemisk ligevægt forblive på ubestemt tid. Ved at ændre reaktionsbetingelserne (temperatur, tryk, koncentration) kan du opnå forskydning eller skift i kemisk ligevægt i den ønskede retning.
Et skift af ligevægt til højre fører til en stigning i koncentrationen af stoffer, hvis formler er på højre side af ligningen. Et skift i ligevægt til venstre vil føre til en stigning i koncentrationen af stoffer, hvis formler er til venstre. I dette tilfælde vil systemet bevæge sig til en ny ligevægtstilstand, karakteriseret ved andre værdier af ligevægtskoncentrationer af reaktionsdeltagere.
Skiftet i kemisk ligevægt forårsaget af ændrede forhold adlyder reglen formuleret i 1884 af den franske fysiker A. Le Chatelier (Le Chateliers princip).
Le Chateliers princip:hvis et system i en tilstand af kemisk ligevægt er udsat for nogen påvirkning, for eksempel ved at ændre temperatur, tryk eller koncentrationer af reagenser, så vil ligevægten skifte i retning af reaktionen, der svækker effekten .
Effekten af ændringer i koncentrationen på skiftet i kemisk ligevægt.
Efter Le Chateliers princip En stigning i koncentrationen af enhver af reaktionsdeltagerne forårsager et skift i ligevægt i retning af reaktionen, der fører til et fald i koncentrationen af dette stof.
Koncentrationens indflydelse på ligevægtstilstanden er underlagt følgende regler:
Når koncentrationen af et af udgangsstofferne stiger, stiger hastigheden af den fremadrettede reaktion, og ligevægten skifter mod dannelse af reaktionsprodukter og omvendt;
Efterhånden som koncentrationen af et af reaktionsprodukterne stiger, stiger hastigheden af den omvendte reaktion, hvilket fører til et skift i ligevægt i retning af dannelsen af udgangsstofferne og omvendt.
For eksempel, hvis i et ligevægtssystem:
SO 2 (g) + NO 2 (g) SO 3 (g) + NO (g)
øge koncentrationen af SO 2 eller NO 2, så vil hastigheden af den direkte reaktion i overensstemmelse med massevirkningsloven stige. Dette vil føre til et skift af ligevægt til højre, hvilket vil føre til forbrug af udgangsstoffer og en stigning i koncentrationen af reaktionsprodukter. Der etableres en ny ligevægtstilstand med nye ligevægtskoncentrationer af udgangsstofferne og reaktionsprodukterne. Når koncentrationen af f.eks. et af reaktionsprodukterne falder, vil systemet reagere på en sådan måde, at koncentrationen af produktet øges. Fordelen vil blive givet til den direkte reaktion, hvilket fører til en stigning i koncentrationen af reaktionsprodukter.
Påvirkningen af trykændringer på skift af kemisk ligevægt.
Efter Le Chateliers princip en stigning i tryk fører til et skift i ligevægt i retning af dannelse af færre gasformige partikler, dvs. mod mindre volumen.
For eksempel i en reversibel reaktion:
2NO 2 (g) 2NO (g) + O 2 (g)
ud fra 2 mol NO2 dannes 2 mol NO og 1 mol O2. Støkiometriske koefficienter foran formlerne for gasformige stoffer indikerer, at forekomsten af en fremadgående reaktion fører til en stigning i antallet af mol gasser, og forekomsten af en omvendt reaktion, tværtimod, reducerer antallet af mol af en gasform. stof. Hvis der udøves en ydre påvirkning på et sådant system ved for eksempel at øge trykket, så vil systemet reagere på en sådan måde, at denne påvirkning svækkes. Trykket kan falde, hvis ligevægten i en given reaktion skifter mod færre mol af det gasformige stof, og derfor et mindre volumen.
Tværtimod er en trykstigning i dette system forbundet med et skift i ligevægt til højre - mod nedbrydning af NO 2, hvilket øger mængden af gasformigt stof.
Hvis antallet af mol gasformige stoffer før og efter reaktionen forbliver konstant, dvs. systemets volumen ændrer sig ikke under reaktionen, så ændrer en ændring i tryk på samme måde hastighederne for fremadgående og omvendte reaktioner og påvirker ikke tilstanden af kemisk ligevægt.
For eksempel, som reaktion:
H2 (g) + Cl2 (g) 2HCl (g),
det samlede antal mol af gasformige stoffer før og efter reaktionen forbliver konstant, og trykket i systemet ændres ikke. Ligevægten i dette system skifter ikke, når trykket ændres.
Indflydelsen af temperaturændringer på skift af kemisk ligevægt.
I hver reversibel reaktion svarer en af retningerne til en eksoterm proces, og den anden til en endoterm proces. Så i reaktionen af ammoniaksyntese er den fremadrettede reaktion eksoterm, og den omvendte reaktion er endoterm.
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) + Q (-AH).
Når temperaturen ændres, ændres hastighederne for både fremadgående og omvendte reaktioner, dog sker hastighedsændringerne ikke i samme omfang. I overensstemmelse med Arrhenius-ligningen reagerer den endoterme reaktion, karakteriseret ved en stor aktiveringsenergi, i højere grad på temperaturændringer.
Derfor er det nødvendigt at kende processens termiske effekt for at vurdere temperaturens indflydelse på retningen af skift af kemisk ligevægt. Det kan bestemmes eksperimentelt, for eksempel ved hjælp af et kalorimeter, eller beregnes ud fra G. Hess' lov. Det skal bemærkes, at en ændring i temperaturen fører til en ændring i værdien af den kemiske ligevægtskonstant (K p).
Efter Le Chateliers princip En stigning i temperaturen flytter ligevægten mod en endoterm reaktion. Når temperaturen falder, skifter ligevægten mod den eksoterme reaktion.
Dermed, temperaturstigning i ammoniaksyntesereaktionen vil føre til et skift i ligevægt mod endotermisk reaktioner, dvs. til venstre. Fordelen er givet til den omvendte reaktion, som opstår med absorption af varme.
Ligevægtstilstanden for en reversibel reaktion kan vare på ubestemt tid (uden indgriben udefra). Men hvis der udøves en ekstern påvirkning på et sådant system (ændre temperaturen, trykket eller koncentrationen af endelige eller initiale stoffer), så vil ligevægtstilstanden blive forstyrret. Hastigheden af en af reaktionerne vil blive større end hastigheden af den anden. Med tiden vil systemet igen indtage en ligevægtstilstand, men de nye ligevægtskoncentrationer af de oprindelige og endelige stoffer vil afvige fra de oprindelige. I dette tilfælde taler de om et skift i kemisk ligevægt i den ene eller anden retning.
Hvis hastigheden af den fremadrettede reaktion som følge af en ydre påvirkning bliver større end hastigheden af den omvendte reaktion, betyder det, at den kemiske ligevægt er forskudt til højre. Hvis hastigheden af den omvendte reaktion derimod bliver større, betyder det, at den kemiske ligevægt er forskudt til venstre.
Når ligevægten skifter til højre, falder ligevægtskoncentrationerne af udgangsstofferne, og ligevægtskoncentrationerne af slutstofferne stiger i forhold til de indledende ligevægtskoncentrationer. Følgelig øges også udbyttet af reaktionsprodukter.
Et skift af kemisk ligevægt til venstre forårsager en stigning i ligevægtskoncentrationerne af udgangsstofferne og et fald i ligevægtskoncentrationerne af slutprodukterne, hvis udbytte vil falde.
Retningen af skiftet i kemisk ligevægt bestemmes ved hjælp af Le Chateliers princip: ”Hvis der udøves en ydre påvirkning på et system i en tilstand af kemisk ligevægt (ændring af temperatur, tryk, koncentration af et eller flere stoffer, der deltager i reaktionen), vil føre til en stigning i hastigheden af den reaktion, hvis forekomst vil kompensere (reducere) virkningen."
For eksempel, når koncentrationen af udgangsstoffer stiger, stiger hastigheden af den fremadrettede reaktion, og ligevægten skifter til højre. Når koncentrationen af udgangsstofferne falder, øges hastigheden af den omvendte reaktion tværtimod, og den kemiske ligevægt skifter til venstre.
Når temperaturen stiger (dvs. når systemet opvarmes), skifter ligevægten mod den endoterme reaktion, og når den falder (dvs. når systemet afkøles) - mod den eksoterme reaktion. (Hvis den fremadrettede reaktion er eksoterm, vil den omvendte reaktion nødvendigvis være endoterm og omvendt).
Det skal understreges, at en temperaturstigning som regel øger hastigheden af både fremadgående og omvendte reaktioner, men hastigheden af en endoterm reaktion stiger i højere grad end hastigheden af en eksoterm reaktion. Følgelig, når systemet afkøles, falder hastighederne for fremadgående og omvendte reaktioner, men heller ikke i samme omfang: for en eksoterm reaktion er den betydeligt mindre end for en endoterm.
En ændring i tryk påvirker kun skiftet i kemisk ligevægt, hvis to betingelser er opfyldt:
det er nødvendigt, at mindst et af stofferne, der deltager i reaktionen, er i gasform, for eksempel:
CaCO 3 (s) CaO (s) + CO 2 (g) - en trykændring påvirker forskydningen af ligevægten.
CH 3 COOH (væske) + C 2 H 5 OH (væske) CH 3 COOC 2 H 5 (væske) + H 2 O (væske) – en trykændring påvirker ikke skiftet i kemisk ligevægt, pga. ingen af udgangs- eller slutstofferne er i gasform;
hvis flere stoffer er i gasform, er det nødvendigt, at antallet af gasmolekyler på venstre side af ligningen for en sådan reaktion ikke er lig med antallet af gasmolekyler på højre side af ligningen, for eksempel:
2SO 2 (g) + O 2 (g) 2SO 3 (g) – trykændringer påvirker ligevægtsskiftet
I 2(g) + H 2(g) 2НI (g) – trykændring påvirker ikke ligevægtsskiftet
Når disse to betingelser er opfyldt, fører en stigning i tryk til et skift i ligevægt i retning af en reaktion, hvis forekomst reducerer antallet af gasmolekyler i systemet. I vores eksempel (katalytisk forbrænding af SO 2) vil dette være en direkte reaktion.
Et fald i tryk flytter tværtimod ligevægten mod den reaktion, der opstår med dannelsen af et større antal gasmolekyler. I vores eksempel vil dette være den modsatte reaktion.
En stigning i tryk forårsager et fald i systemets volumen og derfor en stigning i de molære koncentrationer af gasformige stoffer. Som et resultat stiger hastigheden af fremadrettede og omvendte reaktioner, men ikke i samme omfang. Et fald i trykket ifølge et lignende skema fører til et fald i hastigheden af fremadrettede og omvendte reaktioner. Men samtidig falder reaktionshastigheden, som ligevægten skifter mod, i mindre grad.
Katalysatoren påvirker ikke ligevægtsskiftet, fordi det fremskynder (eller bremser) både fremadgående og tilbagegående reaktioner i samme grad. I dens tilstedeværelse etableres kemisk ligevægt kun hurtigere (eller langsommere).
Hvis et system er påvirket af flere faktorer samtidigt, så handler hver af dem uafhængigt af de andre. For eksempel i syntesen af ammoniak
N 2(gas) + 3H 2(gas) 2NH 3(gas)
reaktionen udføres ved opvarmning og i nærværelse af en katalysator for at øge dens hastighed.Men effekten af temperaturen fører til, at reaktionens ligevægt skifter til venstre, mod den omvendte endoterme reaktion. Dette forårsager et fald i outputtet af NH 3. For at kompensere for denne uønskede temperaturpåvirkning og øge udbyttet af ammoniak øges trykket i systemet samtidig, hvilket forskyder reaktionens ligevægt til højre, dvs. mod dannelsen af færre gasmolekyler.
I dette tilfælde vælges de mest optimale betingelser for reaktionen (temperatur, tryk) eksperimentelt, hvorunder den ville forløbe med en tilstrækkelig høj hastighed og give et økonomisk rentabelt udbytte af slutproduktet.
Le Chateliers princip bruges på samme måde i den kemiske industri til fremstilling af en lang række forskellige stoffer af stor betydning for den nationale økonomi.
Le Chateliers princip gælder ikke kun for reversible kemiske reaktioner, men også til forskellige andre ligevægtsprocesser: fysiske, fysisk-kemiske, biologiske.
Den voksne menneskekrop er karakteriseret ved den relative konstanthed af mange parametre, herunder forskellige biokemiske indikatorer, herunder koncentrationerne af biologisk aktive stoffer. En sådan tilstand kan dog ikke kaldes ligevægt, fordi det gælder ikke for åbne systemer.
Den menneskelige krop, som ethvert levende system, udveksler konstant forskellige stoffer med miljøet: den forbruger mad og frigiver produkter af deres oxidation og henfald. Derfor er det typisk for en organisme stabil tilstand, defineret som konstanten af dets parametre ved en konstant udveksling af stof og energi med miljøet. Til en første tilnærmelse kan en stationær tilstand betragtes som en række ligevægtstilstande, der er forbundet med afslapningsprocesser. I en tilstand af ligevægt opretholdes koncentrationerne af stoffer, der deltager i reaktionen, på grund af genopfyldning af de oprindelige produkter udefra og fjernelse af slutprodukterne til ydersiden. En ændring i deres indhold i kroppen fører ikke, i modsætning til lukkede systemer, til en ny termodynamisk ligevægt. Systemet vender tilbage til sin oprindelige tilstand. Således opretholdes den relative dynamiske konstans af sammensætningen og egenskaberne af det indre miljø i kroppen, hvilket bestemmer stabiliteten af dets fysiologiske funktioner. Denne egenskab ved et levende system kaldes anderledes homøostase.
I løbet af en organismes liv i en stationær tilstand, i modsætning til et lukket ligevægtssystem, sker der en stigning i entropi. Men sammen med dette sker den omvendte proces også samtidigt - et fald i entropi på grund af forbrug af næringsstoffer med en lav entropiværdi fra miljøet (f.eks. højmolekylære forbindelser - proteiner, polysaccharider, kulhydrater osv.) og frigivelse af nedbrydningsprodukter til miljøet. Ifølge positionen af I.R. Prigogine har den samlede produktion af entropi for en organisme i stationær tilstand en tendens til et minimum.
Et stort bidrag til udviklingen af ikke-ligevægtsterodynamik blev ydet af I. R. Prigozhy, nobelprisvinder i 1977, som hævdede, at "i ethvert ikke-ligevægtssystem er der lokale områder, der er i en ligevægtstilstand. I klassisk termodynamik refererer ligevægt til hele systemet, men i ikke-ligevægt, kun til dets individuelle dele."
Det er blevet fastslået, at entropi i sådanne systemer øges under embryogenese, under regenereringsprocesser og væksten af maligne neoplasmer.
9. Hastighed af kemisk reaktion. Kemisk ligevægt
9.2. Kemisk ligevægt og dens forskydning
De fleste kemiske reaktioner er reversible, dvs. flyder samtidigt både i retning af dannelsen af produkter og i retning af deres nedbrydning (fra venstre mod højre og fra højre til venstre).
Eksempler på reaktionsligninger for reversible processer:
N 2 + 3H 2 ⇄ t °, p, kat 2NH 3
2SO 2 + O 2 ⇄ t ° , p , kat 2SO 3
H2 + I2 ⇄ t ° 2HI
Reversible reaktioner er karakteriseret ved en særlig tilstand kaldet en tilstand af kemisk ligevægt.
Kemisk ligevægt- dette er en tilstand af systemet, hvor hastighederne for fremadrettede og omvendte reaktioner bliver ens. Når man bevæger sig mod kemisk ligevægt, falder hastigheden af den fremadrettede reaktion og koncentrationen af reaktanterne, mens den omvendte reaktion og koncentrationen af produkterne stiger.
I en tilstand af kemisk ligevægt dannes der lige så meget produkt pr. tidsenhed, som det nedbrydes. Som følge heraf ændres koncentrationerne af stoffer i en tilstand af kemisk ligevægt ikke over tid. Det betyder dog slet ikke, at ligevægtskoncentrationerne eller masserne (volumener) af alle stoffer nødvendigvis er ens med hinanden (se fig. 9.8 og 9.9). Kemisk ligevægt er en dynamisk (mobil) ligevægt, der kan reagere på ydre påvirkninger.
Overgangen af et ligevægtssystem fra en ligevægtstilstand til en anden kaldes en forskydning eller skift i ligevægt. I praksis taler de om et skift i ligevægt mod reaktionsprodukterne (til højre) eller mod udgangsstofferne (til venstre); en fremadrettet reaktion er en, der sker fra venstre mod højre, og en omvendt reaktion sker fra højre mod venstre. Ligevægtstilstanden er vist med to modsat rettede pile: ⇄.
Princippet om at skifte ligevægt blev formuleret af den franske videnskabsmand Le Chatelier (1884): en ydre påvirkning af et system, der er i ligevægt, fører til et skift i denne ligevægt i en retning, der svækker effekten af den ydre påvirkning
Lad os formulere de grundlæggende regler for at skifte ligevægt.
Effekt af koncentration: når koncentrationen af et stof stiger, skifter ligevægten mod dets forbrug, og når det falder, mod dets dannelse.
For eksempel med en stigning i koncentrationen af H 2 i en reversibel reaktion
H 2 (g) + I 2 (g) ⇄ 2HI (g)
hastigheden af den fremadrettede reaktion, afhængig af brintkoncentrationen, vil stige. Som et resultat vil balancen skifte til højre. Efterhånden som koncentrationen af H 2 falder, vil hastigheden af den fremadrettede reaktion falde, som følge heraf vil processens ligevægt skifte til venstre.
Effekt af temperatur: Når temperaturen stiger, skifter ligevægten mod den endoterme reaktion, og når temperaturen falder, skifter den mod den eksoterme reaktion.
Det er vigtigt at huske, at når temperaturen stiger, stiger hastigheden af både exo- og endoterme reaktioner, men større antal gange - en endoterm reaktion, hvor E a altid er større. Når temperaturen falder, falder hastigheden af begge reaktioner, men igen et større antal gange - endotermisk. Det er praktisk at illustrere dette med et diagram, hvor hastighedsværdien er proportional med pilenes længde, og ligevægten skifter i retning af den længere pil.
Effekt af tryk: En ændring i tryk påvirker kun ligevægtstilstanden, når gasser er involveret i reaktionen, og selv når det gasformige stof kun er på den ene side af den kemiske ligning. Eksempler på reaktionsligninger:
- tryk påvirker ligevægtsskiftet:
3H2 (g) + N2 (g) ⇄ 2NH3 (g),
CaO (tv) + CO 2 (g) ⇄ CaCO 3 (tv);
- tryk påvirker ikke ligevægtsskiftet:
Cu (sv) + S (sv) = CuS (sv),
NaOH (opløsning) + HCl (opløsning) = NaCl (opløsning) + H2O (l).
Når trykket falder, skifter ligevægten mod dannelsen af en større kemisk mængde af gasformige stoffer, og når den stiger, skifter ligevægten mod dannelsen af en mindre kemisk mængde af gasformige stoffer. Hvis de kemiske mængder af gasser i begge sider af ligningen er de samme, så påvirker trykket ikke tilstanden af kemisk ligevægt:
H2 (g) + Cl2 (g) = 2 HCI (g).
Dette er let at forstå, i betragtning af at effekten af en trykændring svarer til effekten af en ændring i koncentrationen: med en stigning i trykket n gange stiger koncentrationen af alle stoffer i ligevægt med samme mængde (og omvendt ).
Effekt af reaktionssystemets volumen: en ændring i reaktionssystemets volumen er forbundet med en ændring i tryk og påvirker kun ligevægtstilstanden af reaktioner, der involverer gasformige stoffer. Et fald i volumen betyder en stigning i trykket og forskyder ligevægten mod dannelsen af færre kemiske gasser. En stigning i systemets volumen fører til et fald i tryk og et skift i ligevægt mod dannelsen af en større kemisk mængde af gasformige stoffer.
Indføringen af en katalysator i et ligevægtssystem eller en ændring i dens natur forskyder ikke ligevægten (forøger ikke udbyttet af produktet), da katalysatoren accelererer både fremadgående og omvendte reaktioner i samme grad. Dette skyldes det faktum, at katalysatoren ligeligt reducerer aktiveringsenergien af fremadgående og tilbagegående processer. Hvorfor bruger de så en katalysator i reversible processer? Faktum er, at brugen af en katalysator i reversible processer fremmer den hurtige indtræden af ligevægt, og dette øger effektiviteten af industriel produktion.
Specifikke eksempler på indflydelsen af forskellige faktorer på ligevægtsskiftet er givet i tabel. 9.1 for ammoniaksyntesereaktionen, der opstår ved frigivelse af varme. Med andre ord er den fremadrettede reaktion eksoterm, og den omvendte reaktion er endoterm.
Tabel 9.1
Indflydelsen af forskellige faktorer på skiftet i ligevægten af ammoniaksyntesereaktionen
| Faktor der påvirker ligevægtssystemet | Retning af forskydning af ligevægtsreaktionen 3 H 2 + N 2 ⇄ t, p, cat 2 NH 3 + Q |
|---|---|
| Stigning i hydrogenkoncentration, s (H 2) | Ligevægten skifter til højre, systemet reagerer ved at mindske c (H 2) |
| Fald i ammoniakkoncentration, s (NH 3)↓ | Ligevægten skifter til højre, systemet reagerer med en stigning i c (NH 3) |
| Stigning i ammoniakkoncentration, s (NH 3) | Ligevægten skifter til venstre, systemet reagerer ved at reducere c (NH 3) |
| Fald i nitrogenkoncentration, s (N 2)↓ | Ligevægten skifter til venstre, systemet reagerer ved at øge c (N 2) |
| Kompression (volumenfald, trykstigning) | Ligevægten skifter til højre mod et fald i mængden af gasser |
| Ekspansion (stigning i volumen, fald i tryk) | Ligevægten skifter til venstre mod stigende gasvolumen |
| Øget tryk | Ligevægten skifter til højre mod et mindre volumen gas |
| Nedsat tryk | Ligevægten skifter til venstre mod et større volumen af gasser |
| Temperaturstigning | Ligevægten skifter til venstre mod den endoterme reaktion |
| Temperaturfald | Ligevægten skifter til højre, mod den eksoterme reaktion |
| Tilføjelse af en katalysator | Balancen forskydes ikke |
Eksempel 9.3. I en tilstand af procesligevægt
2SO 2 (g) + O 2 (g) ⇄ 2SO 3 (g)
koncentrationerne af stoffer (mol/dm 3) SO 2, O 2 og SO 3 er henholdsvis 0,6, 0,4 og 0,2. Find startkoncentrationerne af SO 2 og O 2 (initialkoncentrationen af SO 3 er nul).
Løsning. Under reaktionen forbruges derfor SO 2 og O 2
c ud (SO 2) = c lig (SO 2) + c ud (SO 2),
c ud (O 2) = c lig (O 2) + c ud (O 2).
Værdien af brugt c findes ved hjælp af c (SO 3):
x = 0,2 mol/dm3.
c ud (S02) = 0,6 + 0,2 = 0,8 (mol/dm 3).
y = 0,1 mol/dm3.
c ud (O 2) = 0,4 + 0,1 = 0,5 (mol/dm 3).
Svar: 0,8 mol/dm 3 SO 2; 0,5 mol/dm 3 O 2.
Når man udfører eksamensopgaver, er indflydelsen af forskellige faktorer på den ene side på reaktionshastigheden og på den anden side på skiftet i kemisk ligevægt ofte forvirret.
For en reversibel proces
med stigende temperatur øges hastigheden af både fremadgående og omvendte reaktioner; efterhånden som temperaturen falder, falder hastigheden af både fremadgående og omvendte reaktioner;
med stigende tryk øges hastigheden af alle reaktioner, der forekommer med deltagelse af gasser, både direkte og omvendt. Når trykket falder, falder hastigheden af alle reaktioner, der forekommer med deltagelse af gasser, både direkte og omvendt;
at indføre en katalysator i systemet eller erstatte den med en anden katalysator ændrer ikke ligevægten.
Eksempel 9.4. Der opstår en reversibel proces, beskrevet af ligningen
N 2 (g) + 3H 2 (g) ⇄ 2NH 3 (g) + Q
Overvej hvilke faktorer: 1) øger syntesehastigheden af ammoniakreaktionen; 2) skift balancen til højre:
a) fald i temperatur;
b) stigning i tryk;
c) fald i NH3-koncentration;
d) anvendelse af en katalysator;
e) stigning i N2-koncentration.
Løsning. Faktorer b), d) og e) øger hastigheden af ammoniaksyntesereaktionen (såvel som stigende temperatur, stigende H2-koncentration); skift balancen til højre - a), b), c), e).
Svar: 1) b, d, d; 2) a, b, c, d.
Eksempel 9.5. Nedenfor er energidiagrammet for en reversibel reaktion
List alle sande udsagn:
a) den omvendte reaktion forløber hurtigere end den direkte reaktion;
b) med stigende temperatur stiger hastigheden af den omvendte reaktion flere gange end den fremadrettede reaktion;
c) der sker en direkte reaktion med absorption af varme;
d) temperaturkoefficienten γ er større for den omvendte reaktion.
Løsning.
a) Udsagnet er korrekt, da E arr = 500 − 300 = 200 (kJ) er mindre end E arr = 500 − 200 = 300 (kJ).
b) Udsagnet er forkert; hastigheden af den direkte reaktion, for hvilken E a er større, stiger et større antal gange.
c) Udsagnet er korrekt, Q pr = 200 − 300 = −100 (kJ).
d) Udsagnet er forkert, γ er større for en direkte reaktion, i hvilket tilfælde E a er større.
Svar: a), c).