Под равновесием обычно понимают особое состояние системы или тела, когда все оказываемые на нее воздействия компенсируют друг друга. Или же отсутствуют вовсе. В химии же применяют понятие равновесия к реакциям, происходящим между различными веществами, а точнее, к условиям их протекания.
Понятие равновесия
Химические реакции имеют множество классификаций по различным признакам, но, говоря о химическом равновесии, что такое обратимые и необратимые реакции следует вспомнить.
Если в результате реакции образуются продукты, которые не взаимодействуют друг с другом, говорят о необратимых реакциях, то есть они идут только в прямом направлении. Обычно в них одним из продуктов является газообразное, мало диссоциирующее или нерастворимое соединение. Например:
Pb(NO 3) 2 + 2ΗCl <―> PbCl 2 ↓ + 2HNO 3
Na 2 CO 3 + 2ΗCl <―> 2NaCl + CO 2 + Η 2 O
NaOΗ + ΗCl <―> NaCl + Η 2 O
Продукты обратимых реакций способны взаимодействовать друг с другом, образуя при этом исходные вещества, то есть одновременно происходят две противоположно направленные реакции. Если в какой-то момент времени при определенных условиях скорость прямой реакции будет равняться скорости обратной, то устанавливается химическое равновесие.
Следует упомянуть, что такое равновесие характеризуется как динамическое. Иными словами, обе реакции продолжаются, но значения концентраций всех ее участников остаются неизменными и называются равновесными.
Математически это состояние выражают с использованием константы равновесия (Кр). Пусть происходит взаимодействие веществ, описываемое уравнением аΑ + bB <―> сС + dD. Для противоположных реакций можно записать формулы расчета их скоростей через закон действующих масс. Поскольку в состоянии равновесия скорости эти будут равны, то можно выразить отношение констант скоростей двух противоположных реакций. Вот оно-то и будет численно равняться константе равновесия.
Значение К р помогает определить полноту протекающих реакций. Если К р <1, то реакция в прямом направлении почти не протекает. Если К р >1, то равновесие сдвинуто к продуктам.
Виды равновесия
Химическое равновесие бывает истинным, кажущимся и ложным. Для истинного равновесия наблюдаются признаки:
- Если отсутствует внешнее воздействие, то оно неизменно во времени.
- Если внешние воздействия изменяются (это касается температуры, давления и др.), то состояние системы тоже изменяется. Но стоит только вернуть исходные значения условий, равновесие тут же восстанавливается.
- Состояния истинного равновесия достичь можно как со стороны продуктов химической реакции, так и от исходных веществ.
Если не выполняется хотя бы одно из этих условий, то говорят, что такое равновесие является кажущимся (метастабильным). Если же состояние системы начинает изменяться необратимо при изменении внешних условий, то такое равновесие называют ложным (или заторможенным). Примером последнего является реакция железа с кислородом.
Понятие равновесия несколько отличается с точек зрения термодинамики и кинетики. Под термодинамическим равновесием понимается минимальное значение энергии Гиббса для конкретной системы. Истинное равновесие характеризуется ΔG = 0. А про состояние, для которого скорости прямой и обратной реакций уравнены, то есть v 1 = v 2 , говорят, что такое равновесие - кинетическое.
Принцип Ле-Шателье
Исследованием закономерностей смещения равновесия занимался Анри Ле-Шателье в 19 веке, однако обобщил все эти труды и сформулировал принцип подвижного равновесия позднее Карл Браун:
если на равновесную систему, подействовать извне, то равновесие будет смещаться в направлении уменьшения произведенного воздействия
Иными словами, если на равновесную систему оказывается какое-либо воздействие, она стремится измениться таким образом, чтобы это воздействие было минимальным.
Смещение равновесия
Следствия из принципа Ле-Шателье рассмотрим на примере уравнения реакции:
N 2 + 3Η 2 <―> 2NΗ 3 + Q.
Если увеличить температуру, то сместится равновесие в сторону эндотермической реакции. В данном примере теплота выделяется, значит прямая реакция - экзотермическая, а равновесие сместится к исходным веществам.
Если увеличить давление, то это приведет к смещению равновесия к меньшим объемам газообразных веществ. В приведенном примере имеется 4 моля газообразных исходных веществ и 2 моля газообразных продуктов, значит, равновесие сдвинется к продуктам реакции.
Если увеличить концентрацию исходного вещества, то равновесие сместится в направлении прямой реакции и наоборот. Таким образом, если увеличить концентрации N 2 или Η 2 , то равновесие сместится в прямом направлении, а если аммиака - то в обратном.
Химическое равновесие и принципы его смещения (принцип Ле Шателье)
В обратимых реакциях при определенных условиях может наступить состояние химического равновесия. Это состояние, при котором скорость обратной реакции становится равной скорости прямой реакции. Но для того, чтобы сдвинуть равновесие в ту или иную сторону, нужно поменять условия протекания реакции. Принцип смещения равновесия - принцип Ле Шателье.
Основные положения:
1. Внешнее воздействие на систему, находящуюся в состоянии равновесия, приводит к смещению этого равновесия в направлении, при котором эффект произведенного воздействия ослабляется.
2. При увеличении концентрации одного из реагирующих веществ равновесие смещается в сторону расхода этого вещества, при уменьшении концентрации равновесие смещается в сторону образования этого вещества.
3. При увеличении давления равновесие смещается в сторону уменьшения количества газообразных веществ, то есть в сторону понижения давления; при уменьшении давления равновесие смещается в сторону возрастания количеств газообразных веществ, то есть в сторону увеличения давления. Если реакция протекает без изменения числа молекул газообразных веществ, то давление не влияет на положение равновесия в этой системе.
4. При повышении температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, при понижении температуры - в сторону экзотермической реакции.
За принципы благодарим пособие "Начала химии" Кузьменко Н.Е., Еремин В.В., Попков В.А.
Задания ЕГЭ на химическое равновесие (ранее А21)
Задание №1.
H2S(г) ↔ H2(г) + S(г) - Q
1. Повышении давления
2. Повышении температуры
3. Понижении давления
Объяснение: для начала рассмотрим реакцию: все вещества являются газами и в правой части две молекулы продуктов, а в левой только одна, так же реакция является эндотермической (-Q). Поэтому рассмотрим изменение давления и температуры. Нам нужно, чтобы равновесие сместилось в сторону продуктов реакции. Если мы повысим давление, то равновесие сместится в сторону уменьшения объема, то есть в сторону реагентов - нам это не подходит. Если мы повысим температуру, то равновесие сместится в сторону эндотермической реакции, в нашем случае в сторону продуктов, что и требовалось.Правильный ответ - 2.
Задание №2.
Химическое равновесие в системе
SO3(г) + NO(г) ↔ SO2(г) + NO2(г) - Q
сместится в сторону образования реагентов при:
1. Увеличении концентрации NO
2. Увеличении концентрации SO2
3. Повышении температуры
4. Увеличении давления
Объяснение: все вещества газы, но объемы в правой и левой частях уравнения одинаковы, поэтому давление на равновесие в системе влиять не будет. Рассмотрим изменение температуры: при повышении температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, как раз в сторону реагентов. Правильный ответ - 3.
Задание №3.
В системе
2NO2(г) ↔ N2O4(г) + Q
смещению равновесия влево будет способствовать
1. Увеличение давления
2. Увеличение концентрации N2O4
3. Понижение температуры
4. Введение катализатора
Объяснение: обратим внимание на то, что объемы газообразных веществ в правой и левой частях уравнения не равны, поэтому изменение давления будет влиять на равновесие в данной системе. А именно, при увеличении давления равновесие смещается в сторону уменьшения количества газообразных веществ, то есть вправо. Нам это не подходит. Реакция экзотермическая, поэтому и изменение температуры будет влиять на равновесие системы. При понижении температуры равновесие будет смещаться в сторону экзотермической реакции, то есть тоже вправо. При увеличении концентрации N2O4, равновесие смещается в сторону расхода этого вещества, то есть влево. Правильный ответ - 2.
Задание № 4.
В реакции
2Fe(т) + 3H2O(г) ↔ 2Fe2O3(т) + 3Н2(г) - Q
равновесие сместится в сторону продуктов реакции при
1. Повышении давления
2. Добавлении катализатора
3. Добавлении железа
4. Добавлении воды
Объяснение: количество молекул в правой и левой частях одинаково, так что изменение давления влиять на равновесие в данной системе не будет. Рассмотрим повышение концентрации железа - равновесие должно сместиться в сторону расхода этого вещества, то есть вправо (в сторону продуктов реакции). Правильный ответ - 3.
Задание № 5.
Химическое равновесие
Н2О(ж) + С(т) ↔ Н2(г) + СО(г) - Q
сместится в сторону образования продуктов в случае
1. Повышения давления
2. Повышения температуры
3. Увеличения времени протекания процесса
4. Применения катализатора
Объяснение: изменение давления не будет влиять на равновесие в данной системе, так как не все вещества газообразны. При повышении температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, то есть вправо (в сторону образования продуктов).Правильный ответ - 2.
Задание № 6.
При повышении давления химическое равновесие сместится в сторону продуктов в системе:
1. CH4(г) + 3S(т) ↔ CS2(г) + 2H2S(г) - Q
2. C(т) + CO2(г) ↔ 2CO(г) - Q
3. N2(г) + 3H2(г) ↔ 2NH3(г) + Q
4. Ca(HCO3)2(т) ↔ CaCO3(т) + CO2(г) + H2O(г) - Q
Объяснение: на реакции 1 и 4 изменение давления не влияет, потому не все участвующие вещества газообразны, в уравнении 2 в правой и левой частях количества молекул одинаково, так что давление влиять не будет. Остается уравнение 3. Проверим: при повышении давления равновесие должно сместиться в сторону уменьшения количеств газообразных веществ (справа 4 молекулы, слева 2 молекулы), то есть в сторону продуктов реакции. Правильный ответ - 3.
Задание № 7.
Не влияет на смещение равновесия
H2(г) + I2(г) ↔ 2HI(г) - Q
1. Повышение давления и добавление катализатора
2. Повышение температуры и добавление водорода
3. Понижение температуры и добавление йодоводорода
4. Добавление йода и добавление водорода
Объяснение: в правой и левой частях количества газообразных веществ одинаковы, поэтому изменение давления влиять на равновесие в системе не будет, также не будет влиять и добавление катализатора, потому что как только мы добавим катализатор ускориться прямая реакция, а потом сразу же обратная и равновесие в системе восстановится. Правильный ответ - 1.
Задание № 8.
Для смещения вправо равновесия в реакции
2NO(г) + O2(г) ↔ 2NO2(г); ΔH°<0
требуется
1. Введение катализатора
2. Понижение температуры
3. Понижение давления
4. Понижение концентрации кислорода
Объяснение: понижение концентрации кислорода приведет к смещению равновесия в сторону реагентов (влево). Понижение давления сдвинет равновесие в сторону уменьшения количества газообразных вещества, то есть вправо. Правильный ответ - 3.
Задание № 9.
Выход продукта в экзотермической реакции
2NO(г) + O2(г) ↔ 2NO2(г)
при одновременном повышении температуры и понижении давления
1. Увеличится
2. Уменьшится
3. Не изменится
4. Сначала увеличится, потом уменьшится
Объяснение: при повышении температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, то есть в сторону продуктов, а при понижении давления равновесие смещается в сторону увеличения количеств газообразных веществ, то есть тоже влево. Поэтому выход продукта уменьшится. Правильный ответ - 2.
Задание № 10.
Увеличению выхода метанола в реакции
СО + 2Н2 ↔ СН3ОН + Q
способствует
1. Повышение температуры
2. Введение катализатора
3. Введение ингибитора
4. Повышение давления
Объяснение: при повышении давления равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, то есть в сторону реагентов. Повышение давления смещает равновесие в сторону уменьшения количеств газообразных веществ, то есть в сторону образования метанола.Правильный ответ - 4.
Задания для самостоятельного решения (ответы внизу)
1. В системе
СО(г) + Н2О(г) ↔ СО2(г) + Н2(г) + Q
смещению химического равновесия в сторону продуктов реакции будет способствовать
1. Уменьшение давления
2. Увеличение температуры
3. Увеличение концентрации монооксида углерода
4. Увеличение концентрации водорода
2. В какой системе при повышении давления равновесие смещается в сторону продуктов реакции
1. 2СО2(г) ↔ 2СО(г) + О2(г)
2. С2Н4(г) ↔ С2Н2(г) + Н2(г)
3. PCl3(г) + Cl2(г) ↔ PCl5(г)
4. H2(г) + Cl2(г) ↔ 2HCl(г)
3. Химическое равновесие в системе
2HBr(г) ↔ H2(г) + Br2(г) - Q
сместится в сторону продуктов реакции при
1. Повышении давления
2. Повышении температуры
3. Понижении давления
4. Использовании катализатора
4. Химическое равновесие в системе
С2Н5ОН + СН3СООН ↔ СН3СООС2Н5 + Н2О + Q
смещается в сторону продуктов реакции при
1. Добавлении воды
2. Уменьшении концентрации уксусной кислоты
3. Увеличении концентрации эфира
4. При удалении сложного эфира
5. Химическое равновесие в системе
2NO(г) + O2(г) ↔ 2NO2(г) + Q
смещается в сторону образования продукта реакции при
1. Повышении давления
2. Повышении температуры
3. Понижении давления
4. Применении катализатора
6. Химическое равновесие в системе
СО2(г) + С(тв) ↔ 2СО(г) - Q
сместится в сторону продуктов реакции при
1. Повышении давления
2. Понижении температуры
3. Повышении концентрации СО
4. Повышении температуры
7. Изменение давления не повлияет на состояние химического равновесия в системе
1. 2NO(г) + O2(г) ↔ 2NO2(г)
2. N2(г) + 3H2(г) ↔ 2NH3(г)
3. 2CO(г) + O2(г) ↔ 2CO2(г)
4. N2(г) + O2(г) ↔ 2NO(г)
8. В какой системе при повышении давления химическое равновесие сместится в сторону исходных веществ?
1. N2(г) + 3H2(г) ↔ 2NH3(г) + Q
2. N2O4(г) ↔ 2NO2(г) - Q
3. CO2(г) + H2(г) ↔ CO(г) + H2O(г) - Q
4. 4HCl(г) + O2(г) ↔ 2H2O(г) + 2Cl2(г) + Q
9. Химическое равновесие в системе
С4Н10(г) ↔ С4Н6(г) + 2Н2(г) - Q
сместится в сторону продуктов реакции при
1. Повышении температуры
2. Понижении температуры
3. Использовании катализатора
4. Уменьшении концентрации бутана
10. На состояние химического равновесия в системе
H2(г) + I2(г) ↔ 2HI(г) -Q
не влияет
1. Увеличение давления
2. Увеличение концентрации йода
3. Увеличение температуры
4. Уменьшение температуры
Задания 2016 года
1. Установите соответствие между уравнением химической реакции и смещением химического равновесия при увеличении давления в системе.
Уравнение реакции Смещение химического равновесия
А) N2(г) + O2(г) ↔ 2NO(г) - Q 1. Смещается в сторону прямой реакции
Б) N2O4(г) ↔ 2NO2(г) - Q 2. Смещается в сторону обратной реакции
В) CaCO3(тв) ↔ CaO(тв) +CO2(г) - Q 3. Не происходит смещения равновесия
Г) Fe3O4(тв) + 4CO(г) ↔ 3Fe(тв) + 4CO2(г) + Q
2. Установите соответствие между внешним воздействием на систему:
СО2(г) + С(тв) ↔ 2СО(г) - Q
и смещение химического равновесия.
А. Увеличение концентрации СО 1. Смещается в сторону прямой реакции
В. Понижение давления 3. Не происходит смещения равновесия
3. Установите соответствие между внешним воздействием на систему
НСООН(ж) + С5Н5ОН(ж) ↔ НСООС2Н5(ж) + Н2О(ж) + Q
Внешнее воздействие Смещение химического равновесия
А. Добавление НСООН 1. Смещается в сторону прямой реакции
В. Разбавление водой 3. Не происходит смещения равновесия
Г. Повышение температуры
4. Установите соответствие между внешним воздействием на систему
2NO(г) + O2(г) ↔ 2NO2(г) + Q
и смещением химического равновесия.
Внешнее воздействие Смещение химического равновесия
А. Уменьшение давления 1. Смещается в сторону прямой реакции
Б. Увеличение температуры 2. Смещается в сторону обратной реакции
В. Увеличение температуры NO2 3. Не происходит смещения равновесия
Г. Добавление О2
5. Установите соответствие между внешним воздействием на систему
4NH3(г) + 3O2(г) ↔ 2N2(г) + 6H2O(г) + Q
и смещением химического равновесия.
Внешнее воздействие Смещение химического равновесия
А. Понижение температуры 1. Смещение в сторону прямой реакции
Б. Повышение давления 2. Смещается в сторону обратной реакции
В. Повышение концентрации в аммиаке 3. Не происходит смещения равновесия
Г. Удаление паров воды
6. Установите соответствие между внешним воздействием на систему
WO3(тв) + 3H2(г) ↔ W(тв) + 3H2O(г) +Q
и смещением химического равновесия.
Внешнее воздействие Смещение химического равновесия
А. Повышение температуры 1. Смещается в сторону прямой реакции
Б. Повышение давления 2. Смещается в сторону обратной реакции
В. Использование катализатора 3. Не происходит смещения равновесия
Г. Удаление паров воды
7. Установите соответствие между внешним воздействием на систему
С4Н8(г) + Н2(г) ↔ С4Н10(г) + Q
и смещением химического равновесия.
Внешнее воздействие Смещение химического равновесия
А. Увеличение концентрации водорода 1. Смещается в сторону прямой реакции
Б. Повышение температуры 2. Смещается в сторону обратной реакции
В. Повышение давления 3. Не происходит смещения равновесия
Г. Использование катализатора
8. Установите соответствие между уравнением химической реакции и одновременным изменением параметров системы, приводящим к смещению химического равновесия в сторону прямой реакции.
Уравнение реакции Изменение параметров системы
А. H2(г) + F2(г) ↔ 2HF(г) + Q 1. Увеличение температуры и концентрации водорода
Б. H2(г) + I2(тв) ↔ 2HI(г) -Q 2. Уменьшение температуры и концентрации водорода
В. CO(г) + H2O(г) ↔ CО2(г) +H2(г) + Q 3. Увеличение температуры и уменьшение концентрации водорода
Г. C4H10(г) ↔ C4H6(г) + 2H2(г) -Q 4. Уменьшение температуры и увеличение концентрации водорода
9. Установите соответствие между уравнением химической реакции и смещением химического равновесия при увеличении давления в системе.
Уравнение реакции Направление смещения химического равновесия
А. 2HI(г) ↔ H2(г) + I2(тв) 1. Смещается в сторону прямой реакции
Б. C(г) + 2S(г) ↔ CS2(г) 2. Смещается в сторону обратной реакции
В. C3H6(г) + H2(г) ↔ C3H8(г) 3. Не происходит смещения равновесия
Г. H2(г) + F2(г) ↔ 2HF(г)
10. Установите соответствие между уравнением химической реакции и одновременным изменением условий ее проведения, приводящим к смещению химического равновесия в сторону прямой реакции.
Уравнение реакции Изменение условий
А. N2(г) + H2(г) ↔ 2NH3(г) + Q 1. Увеличение температуры и давления
Б. N2O4(ж) ↔ 2NO2(г) -Q 2. Уменьшение температуры и давления
В. CO2(г) + C(тв) ↔ 2CO(г) + Q 3. Увеличение температуры и уменьшение давления
Г. 4HCl(г) + O2(г) ↔ 2H2O(г) + 2Cl2(г) + Q 4. Уменьшение температуры и увеличение давления
Ответы: 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
За задания благодарим сборники упражнений за 2016, 2015, 2014, 2013 г. авторов:
Кавернину А.А., Добротина Д.Ю., Снастину М.Г., Савинкину Е.В., Живейнова О.Г.
Если внешние условия химического процесса не изменяются, то состояние химического равновесия может сохраняться сколь угодно долго. Изменением условий проведения реакции (температуры, давления, концентрации) можно добиться смещения или сдвига химического равновесия в требуемом направлении.
Смещение равновесия вправо приводит к увеличению концентрации веществ, формулы которых находятся в правой части уравнения. Смещение равновесия влево будет приводить к увеличению концентрации веществ, формулы которых находятся слева. При этом система перейдет в новое состояние равновесия, характеризующееся другими значениями равновесных концентраций участников реакции .
Смещение химического равновесия, вызванное изменением условий, подчиняется правилу, сформулированному в 1884 году французским физиком А. Ле Шателье (принцип Ле Шателье).
Принцип Ле Шателье: если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказать какое-либо воздействие, например, изменить температуру, давление или концентрации реагентов, то равновесие сместится в направлении той реакции, которая ослабляет оказываемое воздействие.
Влияние изменения концентрации на смещение химического равновесия.
Согласно принципу Ле Шателье увеличение концентрации любого из участников реакции вызывает смещение равновесия в сторону той реакции, которая приводит к уменьшению концентрации этого вещества.
Влияние концентрации на состояние равновесия подчиняется следующим правилам:
При повышении концентрации одного из исходных веществ возрастает скорость прямой реакции и равновесие сдвигается в направлении образования продуктов реакции и наоборот;
При повышении концентрации одного из продуктов реакции возрастает скорость обратной реакции, что приводит к смещению равновесия в направлении образования исходных веществ и наоборот.
Например, если в равновесной системе:
SO 2(г) + NO 2(г) SO 3(г) + NO (г)
увеличить концентрации SO 2 или NO 2 , то, в соответствии с законом действующих масс, возрастет скорость прямой реакции. Это приведет к смещению равновесия вправо, что обусловит расходование исходных веществ и увеличение концентрации продуктов реакции. Установится новое состояние равновесия с новыми равновесными концентрациями исходных веществ и продуктов реакции. При уменьшении концентрации, например, одного из продуктов реакции, система отреагирует таким образом, чтобы концентрацию продукта увеличить. Преимущество получит прямая реакция, приводящая к увеличению концентрации продуктов реакции.
Влияние изменения давления на смещение химического равновесия.
Согласно принципу Ле Шателье повышение давления приводит к смещению равновесия в сторону образования меньшего количества газообразных частиц, т.е. в сторону меньшего объема.
Например, в обратимой реакции:
2NO 2(г) 2NO (г) + O 2(г)
из 2 моль NO 2 образуется 2 моль NO и 1 моль O 2 . Стехиометрические коэффициенты перед формулами газообразных веществ указывают, что протекание прямой реакции приводит к увеличению числа моль газов, а протекание обратной реакции, наоборот, уменьшает число моль газообразного вещества. Если на такую систему оказать внешнее воздействие путем, например, путем увеличения давления, то система отреагирует таким образом, чтобы это воздействие ослабить. Давление может снизиться, если равновесие данной реакции сместится в сторону меньшего числа молей газообразного вещества, а значит, и меньшего объема.
Наоборот, повышение давления в этой системе связано со смещением равновесия вправо - в сторону разложения NO 2 , что увеличивает количество газообразного вещества.
Если число моль газообразных веществ до и после реакции остаетсяпостоянным, т.е. объем системы в ходе реакции не меняется, то изменение давления одинаково изменяет скорости прямой и обратной реакций и не оказывает влияния на состояние химического равновесия.
Например, в реакции:
H 2(г) + Cl 2(г) 2HCl (г) ,
общее количество моль газообразных веществ до и после реакции остается постоянным и давление в системе не меняется. Равновесие в данной системе при изменении давления не смещается.
Влияние изменения температуры на смещение химического равновесия.
В каждой обратимой реакции одно из направлений отвечает экзотермическому процессу, а другое - эндотермическому. Так в реакции синтеза аммиака прямая реакция - экзотермическая, а обратная реакция - эндотермическая.
N 2(г) + 3H 2(г) 2NH 3(г) + Q (-ΔH).
При изменении температуры изменяются скорости как прямой, так и обратной реакций, однако, изменение скоростей происходит не в одинаковой степени. В соответствии с уравнением Аррениуса в большей степени на изменение температуры реагирует эндотермическая реакция, характеризующаяся большим значением энергии активации.
Следовательно, для оценки влияния температуры на направление смещения химического равновесия необходимо знать тепловой эффект процесса. Его можно определить экспериментально, например, с помощью калориметра, или рассчитать на основе закона Г. Гесса . Следует отметить, что изменение температуры приводит к изменению величины константы химического равновесия (K p).
Согласно принципу Ле Шателье повышение температуры смещает равновесие в сторону эндотермической реакции. При понижении температуры равновесие смещается в направлении экзотермической реакции.
Таким образом, повышение температуры в реакции синтеза аммиака приведет к смещению равновесия в сторону эндотермической реакции, т.е. влево. Преимущество получает обратная реакция, протекающая с поглощением тепла.
Состояние равновесия для обратимой реакции может длиться неограниченно долгое время (без вмешательства извне). Но если на такую систему оказать внешнее воздействие (изменить температуру, давление или концентрацию конечных либо исходных веществ), то состояние равновесия нарушится. Скорость одной из реакций станет больше по сравнению со скоростью другой. С течением времени система вновь займет равновесное состояние, но новые равновесные концентрации исходных и конечных веществ будут отличаться от первоначальных. В этом случае говорят о смещении химического равновесия в ту или иную сторону.
Если в результате внешнего воздействия скорость прямой реакции становится больше скорости обратной реакции, то это значит, что химическое равновесие сместилось вправо. Если же, наоборот, становится больше скорость обратной реакции, это значит, что химическое равновесие сместилось влево.
При смещении равновесия вправо происходит уменьшение равновесных концентрацийисходных веществ и увеличениеравновесных концентраций конечных веществ по сравнению с первоначальными равновесными концентрациями. Соответственно, при этом возрастает и выход продуктов реакции.
Смещение химического равновесия влево вызывает возрастание равновесных концентраций исходных веществ и уменьшение равновесных концентраций конечных продуктов, выход которых при этом уменьшится.
Направление смещения химического равновесия определяется с помощью принципа Ле-Шателье: «Если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказать внешнее воздействие (изменить температуру, давление, концентрацию одного или нескольких веществ, участвующих в реакции), то это приведет к увеличению скорости той реакции, протекание которой будет компенсировать (уменьшать) оказанное воздействие» .
Например, при увеличении концентрации исходных веществ возрастает скорость прямой реакции и равновесие смещается вправо. При уменьшении концентрации исходных веществ, наоборот, возрастает скорость обратной реакции, а химическое равновесие смещается влево.
При увеличении температуры (т.е. при нагревании системы) равновесие смещается в сторону протекания эндотермической реакции, а при ее уменьшении (т.е. при охлаждении системы) – в сторону протекания экзотермической реакции. (Если прямая реакция является экзотермической, то обратная обязательно будет эндотермической, инаоборот).
Следует подчеркнуть, что увеличение температуры, как правило, увеличивает скорость и прямой, и обратной реакции, но при этом скорость эндотермической реакции возрастает в большей степени, чем скорость экзотермической реакции. Соответственно, при охлаждениисистемы скорости прямой и обратной реакций уменьшаются, но тоже не в одинаковой степени: для экзотермической реакции существенно меньше, чем для эндотермической.
Изменение давления влияет на смещение химического равновесия только при выполнении двух условий:
необходимо, чтобы хоть одно из веществ, участвующих в реакции, находилось в газообразном состоянии, например:
СаСО 3(т) СаО (т) + СО 2(г) - изменение давления влияет насмещение равновесия.
СН 3 СООН (ж.) + С 2 Н 5 ОН (ж.) СН 3 СООС 2 Н 5(ж.) + Н 2 О (ж.) – изменениедавления не влияет на смещение химического равновесия, т.к. ни одно из исходных или конечных веществ не находится в газообразном состоянии;
если в газообразном состоянии находятся несколько веществ, необходимо, чтобы число молекул газа в левой части уравнения такой реакции не было равно числу молекулгаза в правой части уравнения, например:
2SO 2(г) +O 2(г) 2SO 3(г) – изменение давления влияет на смещение равновесия
I 2(г) + Н 2(г) 2НI (г) – изменение давления не влияет на смещение равновесия
При выполнении этих двух условий увеличение давления приводит к смещению равновесия в сторону реакции, протекание которой уменьшает число молекул газа в системе. В нашем примере (каталитическое горение SO 2) это будет прямая реакция.
Уменьшение давления, наоборот, смещает равновесие в сторону реакции, идущей с образованием большего числа молекул газа. В нашем примере это будет обратная реакция.
Увеличение давления вызывает уменьшение объема системы, а значит, и увеличение молярных концентраций газообразных веществ. В результате скорость прямой и обратной реакций увеличивается, но не в одинаковой степени. Понижение же давления по аналогичной схеме приводит к уменьшению скоростей прямой и обратной реакций. Но при этом скорость реакции, в сторону которой смещается равновесие, уменьшается в меньшей степени.
Катализатор не влияет на смещение равновесия, т.к. он в одинаковой степени ускоряет (или замедляет) как прямую, так и обратную реакцию. В его присутствии химическое равновесие только быстрее (или медленнее) устанавливается.
Если на систему оказывают воздействие сразу несколько факторов одновременно, то каждый из них действует независимо от других. Например, при синтезе аммиака
N 2(газ) + 3H 2(газ) 2NH 3(газ)
реакцию осуществляют при нагревании и в присутствии катализатора для увеличения ее скорости.Но при этом воздействие температуры приводит к тому, что равновесие реакции смещается влево, в сторону обратной эндотермической реакции. Это вызываетуменьшение выхода NH 3 . Чтобы компенсировать данноенежелательное действие температуры и увеличитьвыход аммиака, одновременно в системе повышают давление,которое смещает равновесие реакции вправо, т.е. в сторону образования меньшего числа молекул газа.
При этом опытным путем подбирают наиболее оптимальные условия осуществленияреакции (температуру, давление), при которых она протекала бы с достаточно большой скоростью и давала экономическирентабельный выход конечного продукта.
Принцип Ле-Шателье аналогичным образом используется в химической промышленности при производстве большого числа различных веществ, имеющих огромное значение для народного хозяйства.
Принцип Ле-Шательеприменим не только к обратимым химическим реакциям, но и к различным другим равновесным процессам: физическим, физико-химическим, биологическим.
Организм взрослого человека характеризуется относительным постоянством многих параметров, в том числе различных биохимических показателей, включающих в себя концентрации биологически активных веществ. Однако такое состояние нельзя назвать равновесным, т.к. оно не приложимо к открытым системам.
Организм человека, как любая живая система, постоянно обменивается с окружающей средой различными веществами: потребляет продукты питания и выделяет продукты их окисления и распада. Следовательно, для организма характерно стационарное состояние , определяемое как постоянство его параметров при постоянной скорости обмена с окружающей средой веществом и энергией. В первом приближении стационарное состояние можно рассматривать как ряд равновесных состояний, связанных между собой процессами релаксации. В состоянии равновесия концентрации веществ, участвующих в реакции, поддерживаются за счёт восполнения извне исходных и удаления наружу конечных продуктов. Изменение их содержания в организме не приводит, в отличие от закрытых систем, к новому термодинамическому равновесию. Система возвращается в первоначальное состояние. Таким образом, поддерживается относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды организма, обусловливающее устойчивость его физиологических функций. Данное свойство живой системы называется иначегомеостазом .
В ходе жизнедеятельности организма, находящегося в стационарном состоянии, в отличие от закрытой равновесной системы, происходит увеличение энтропии. Однако, наряду с этим, одновременно протекает и обратный процесс – уменьшение энтропии за счёт потребления из окружающей среды питательных веществ с низким значением энтропии (например, высокомолекулярных соединений – белков, полисахаридов, углеводов и др.) и выделения в среду продуктов распада. Согласно положению И.Р.Пригожина, суммарное производство энтропии для организма, находящегося в стационарном состоянии, стремится к минимуму.
Большой вклад в развитие неравновесной термодинамики внес И. Р. Пригожий , лауреат Нобелевской премии 1977 г., который утверждал, что «в любой неравновесной системе существуют локальные участки, находящиеся в равновесном состоянии. В классической термодинамике равновесие относится ко всей системе, а в неравновесной - только к ее отдельным частям».
Установлено, что энтропия в таких системах возрастает в период эмбриогенеза, при процессах регенерации и росте злокачественных новообразований.
9. Скорость химической реакции. Химическое равновесие
9.2. Химическое равновесие и его смещение
Большинство химических реакций являются обратимыми , т.е. одновременно протекают как в сторону образования продуктов, так и в сторону их распада (слева направо и справа налево).
Примеры уравнений реакций обратимых процессов:
N 2 + 3H 2 ⇄ t ° , p , кат 2NH 3
2SO 2 + O 2 ⇄ t ° , p , кат 2SO 3
H 2 + I 2 ⇄ t ° 2HI
Обратимые реакции характеризуются особым состоянием, которое называется состоянием химического равновесия.
Химическое равновесие - это такое состояние системы, при котором скорости прямой и обратной реакций становятся равными. При движении к химическому равновесию скорость прямой реакции и концентрация реагентов уменьшаются, а обратной и концентрации продуктов - возрастают.
В состоянии химического равновесия в единицу времени образуется столько продукта, сколько и распадается. В результате концентрации веществ, находящихся в состоянии химического равновесия, со временем не изменяются. Однако это вовсе не означает, что равновесные концентрации или массы (объемы) всех веществ обязательно равны между собой (см. рис. 9.8 и 9.9). Химическое равновесие - это динамическое (подвижное ) равновесие , которое может откликаться на внешнее воздействие.
Переход равновесной системы из одного равновесного состояния в другое называется смещением или сдвигом равновесия . На практике говорят о смещении равновесия в сторону продуктов реакции (вправо) или в сторону исходных веществ (влево); прямой называют реакцию, протекающую слева направо, а обратной - справа налево. Состояние равновесия показывают двумя противоположно направленными стрелками: ⇄.
Принцип смещения равновесия был сформулирован французским ученым Ле Шателье (1884): внешнее воздействие на систему, находящуюся в равновесии, приводит к смещению этого равновесия в направлении, ослабляющем эффект внешнего воздействия
Сформулируем основные правила смещения равновесия.
Влияние концентрации : при увеличении концентрации вещества равновесие смещается в сторону его расходования, а при уменьшении - в сторону его образования.
Например, при увеличении концентрации H 2 в обратимой реакции
H 2 (г) + I 2 (г) ⇄ 2HI (г)
скорость прямой реакции, зависящей от концентрации водорода, увеличится. В результате равновесие сместится вправо. При уменьшении концентрации H 2 скорость прямой реакции уменьшится, в результате равновесие процесса сместится влево.
Влияние температуры : при повышении температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, а при понижении - в сторону экзотермической реакции.
Важно помнить, что при увеличении температуры возрастает скорость как экзо-, так и эндотермической реакции, но в большее число раз - эндотермической реакции, для которой Е а всегда больше. При уменьшении температуры уменьшается скорость обеих реакций, но опять же в большее число раз - эндотермической. Сказанное удобно проиллюстрировать схемой, на которой значение скорости пропорционально длине стрелок, а равновесие смещается в направлении более длинной стрелки.
Влияние давления : изменение давления влияет на состояние равновесия только в том случае, когда в реакции принимают участие газы, и даже тогда, когда газообразное вещество находится только в одной части химического уравнения. Примеры уравнений реакций:
- давление влияет на смещение равновесия:
3H 2 (г) + N 2 (г) ⇄ 2NH 3 (г),
CaO (тв) + CO 2 (г) ⇄ CaCO 3 (тв);
- давление не влияет на смещение равновесия:
Cu (тв) + S (тв) = CuS (тв),
NaOH (р-р) + HCl (р-р) = NaCl (р-р) + H 2 O (ж).
При уменьшении давления равновесие смещается в сторону образования большего химического количества газообразных веществ, а при увеличении - в сторону образования меньшего химического количества газообразных веществ. Если химические количества газов в обеих частях уравнения одинаковые, то давление не оказывает влияния на состояние химического равновесия:
H 2 (г) + Cl 2 (г) = 2HCl (г).
Сказанное легко понять, учитывая, что действие изменения давления аналогично действию изменения концентрации: при увеличении давления в n раз во столько же раз возрастает и концентрация всех веществ, находящихся в равновесии (и наоборот).
Влияние объема реакционной системы : изменение объема реакционной системы связано с изменением давления и оказывает влияние только на состояние равновесия реакций с участием газообразных веществ. Уменьшение объема означает увеличение давления и смещает равновесие в сторону образования меньшего химического количества газов. Увеличение объема системы приводит к уменьшению давления и смещению равновесия в сторону образования большего химического количества газообразных веществ.
Введение в равновесную систему катализатора или изменение его природы не смещает равновесие (не увеличивает выход продукта), так как катализатор в одинаковой степени ускоряет и прямую, и обратную реакции. Это связано с тем, что катализатор в равной мере уменьшает энергию активации прямого и обратного процессов. Тогда зачем же в обратимых процессах используют катализатор? Дело в том, что использование катализатора в обратимых процессах способствует быстрейшему наступлению равновесия, а это увеличивает эффективность промышленного производства.
Конкретные примеры влияния различных факторов на смещение равновесия приведены в табл. 9.1 для реакции синтеза аммиака, протекающей с выделением теплоты. Иными словами, прямая реакция экзотермическая, а обратная - эндотермическая.
Таблица 9.1
Влияние различных факторов на смещение равновесия реакции синтеза аммиака
| Фактор воздействия на равновесную систему | Направление смещения равновесия реакции 3 Н 2 + N 2 ⇄ t , p , кат 2 NН 3 + Q |
|---|---|
| Увеличение концентрации водорода, c (H 2) | Равновесие смещается вправо, система отвечает уменьшением c (H 2) |
| Уменьшение концентрации аммиака, c (NH 3)↓ | Равновесие смещается вправо, система отвечает увеличением c (NH 3) |
| Увеличение концентрации аммиака, c (NH 3) | Равновесие смещается влево, система отвечает уменьшением c (NH 3) |
| Уменьшение концентрации азота, c (N 2)↓ | Равновесие смещается влево, система отвечает увеличением c (N 2) |
| Сжатие (уменьшение объема, повышение давления) | Равновесие смещается вправо, в сторону уменьшения объема газов |
| Расширение (увеличение объема, понижение давления) | Равновесие смещается влево, в сторону увеличения объема газа |
| Повышение давления | Равновесие смещается вправо, в сторону меньшего объема газа |
| Понижение давления | Равновесие смещается влево, в сторону большего объема газов |
| Повышение температуры | Равновесие смещается влево, в сторону эндотермической реакции |
| Понижение температуры | Равновесие смещается вправо, в сторону экзотермической реакции |
| Внесение катализатора | Равновесие не смещается |
Пример 9.3. В состоянии равновесия процесса
2SO 2 (г) + O 2 (г) ⇄ 2SO 3 (г)
концентрации веществ (моль/дм 3) SO 2 , O 2 и SO 3 соответственно равны 0,6, 0,4 и 0,2. Найдите исходные концентрации SO 2 и O 2 (исходная концентрация SO 3 равна нулю).
Решение. В ходе реакции SO 2 и O 2 расходуются, поэтому
c исх (SO 2) = c равн (SO 2) + c израсх (SO 2),
c исх (O 2) = c равн (O 2) + c израсх (O 2).
Значение c израсх находим по c (SO 3):
x = 0,2 моль/дм 3 .
c исх (SO 2) = 0,6 + 0,2 = 0,8 (моль/дм 3).
y = 0,1 моль/дм 3 .
c исх (O 2) = 0,4 + 0,1 = 0,5 (моль/дм 3).
Ответ : 0,8 моль/дм 3 SO 2 ; 0,5 моль/дм 3 O 2 .
При выполнении экзаменационных заданий часто путают влияние различных факторов, с одной стороны, на скорость реакции, а с другой - на смещение химического равновесия.
Для обратимого процесса
при повышении температуры возрастает скорость как прямой, так и обратной реакции; при понижении температуры уменьшается скорость как прямой, так и обратной реакции;
при повышении давления возрастают скорости всех реакций, протекающих с участием газов, - и прямой, и обратной. При понижении давления уменьшается скорость всех реакций, протекающих с участием газов, - и прямой, и обратной;
введение в систему катализатора или его замена на другой катализатор равновесие не смещают.
Пример 9.4. Протекает обратимый процесс, описываемый уравнением
N 2 (г) + 3H 2 (г) ⇄ 2NH 3 (г) + Q
Рассмотрите, какие факторы: 1) увеличивают скорость синтеза реакции аммиака; 2) смещают равновесие вправо:
а) понижение температуры;
б) повышение давления;
в) уменьшение концентрации NH 3 ;
г) использование катализатора;
д) увеличение концентрации N 2 .
Решение. Увеличивают скорость реакции синтеза аммиака факторы б), г) и д) (а также повышение температуры, увеличение концентрации Н 2); смещают равновесие вправо - а), б), в), д).
Ответ : 1) б, г, д; 2) а, б, в, д.
Пример 9.5. Ниже приведена энергетическая схема обратимой реакции
Укажите все справедливые утверждения:
а) обратная реакция протекает быстрее, чем прямая;
б) с повышением температуры скорость обратной реакции возрастает в большее число раз, чем прямой реакции;
в) прямая реакция протекает с поглощением теплоты;
г) величина температурного коэффициента γ больше для обратной реакции.
Решение.
а) Утверждение верное, так как Е а обр = 500 − 300 = 200 (кДж) меньше Е а пр = 500 − 200 = 300 (кДж).
б) Утверждение неверное, в большее число раз возрастает скорость прямой реакции, для которой Е а больше.
в) Утверждение верное, Q пр = 200 − 300 = −100 (кДж).
г) Утверждение неверное, γ больше для прямой реакции, в случае которой больше Е а.
Ответ : а), в).