Рамнотежата обично се подразбира како посебна состојбасистем или тело, кога сите влијанија што се вршат врз него се компензираат едни со други. Или се целосно отсутни. Во хемијата, концептот на рамнотежа се применува на реакции кои се случуваат помеѓу разни материи, поточно, на условите на нивното настанување.
Концепт на рамнотежа
Хемиските реакции имаат многу класификации според разни знаци, но кога се зборува за хемиска рамнотежа, треба да се запомни што се реверзибилни и неповратни реакции.
Ако реакцијата резултира со формирање на производи кои не комуницираат едни со други, зборуваме за нереакција. реверзибилни реакции, односно одат само во насока напред. Вообичаено, еден од производите во нив е гасовито, малку дисоцирачко или нерастворливо соединение. На пример:
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
Производите на реверзибилни реакции се способни да комуницираат едни со други, со што се формираат почетните супстанции, односно, две спротивно насочени реакции се случуваат истовремено. Ако во одреден момент од времето, под одредени услови, брзината на напредната реакција е еднаква на брзината на обратната реакција, тогаш хемиска рамнотежа.
Треба да се спомене дека ваквата рамнотежа се карактеризира како динамична. Со други зборови, двете реакции продолжуваат, но вредностите на концентрацијата на сите нејзини учесници остануваат непроменети и се нарекуваат рамнотежа.
Математички, оваа состојба се изразува со помош на константата на рамнотежа (Kp). Нека има интеракција на супстанции опишани со равенката aΑ + bB<―>сС + dD. За спротивни реакции, можеме да запишеме формули за пресметување на нивните стапки преку законот за масовно дејство. Бидејќи во состојба на рамнотежа овие стапки ќе бидат еднакви, можеме да го изразиме односот на константите на брзината на две спротивни реакции. Тоа е она што нумерички ќе биде еднакво на константата на рамнотежа.
Вредноста K p помага да се одреди комплетноста на реакциите што се случуваат. Ако К р<1, то реакция в прямом направлении почти не протекает. Если К р >1, тогаш рамнотежата се поместува кон производите.
Видови рамнотежа
Хемиската рамнотежа може да биде вистинита, привидна или лажна. За вистинска рамнотежасе забележуваат знаци:
- Ако нема надворешно влијание, тогаш тоа е константно со текот на времето.
- Ако се променат надворешните влијанија (ова се однесува на температурата, притисокот итн.), тогаш се менува и состојбата на системот. Но, штом се вратат почетните вредности на условите, рамнотежата веднаш се враќа.
- Состојба на вистинска рамнотежа може да се постигне и од страната на производите хемиска реакција, и од почетните материјали.
Ако барем еден од овие услови не е исполнет, тогаш се вели дека е таква рамнотежа привидна (метастабилна).Ако состојбата на системот почне неповратно да се менува кога се менуваат надворешните услови, тогаш таквата рамнотежа се нарекува лажни (или инхибирани).Пример за второто е реакцијата на железото со кислородот.
Концептот на рамнотежа е малку различен од гледиштата на термодинамиката и кинетиката. Под термодинамичка рамнотежасе разбира минимална вредностГибсовата енергија за одреден систем. Вистинската рамнотежа се карактеризира со ΔG = 0. А за состојба за која брзината на напредните и обратните реакции се еднакви, односно v 1 = v 2, тие велат дека таквата рамнотежа е - кинетички.
Принципот на Ле Шателје
Анри Ле Шателие ги проучувал моделите на поместување на рамнотежата во 19 век, но Карл Браун ги сумирал сите овие дела и подоцна го формулирал принципот на подвижна рамнотежа:
ако системот за рамнотежа е засегнат однадвор, тогаш рамнотежата ќе се префрли во насока на намалување на произведениот ефект
Со други зборови, ако системот за рамнотежа е подложен на какво било влијание, тој има тенденција да се менува на таков начин што ова влијание е минимално.
Поместување на рамнотежата
Да ги разгледаме последиците од принципот на Ле Шателие користејќи ја равенката на реакција како пример:
N 2 + 3Η 2<―>2NΗ 3 + Q.
Ако ја зголемите температурата, рамнотежата ќе се префрли кон ендотермичката реакција. ВО во овој примерсе ослободува топлина, што значи дека директната реакција е егзотермна, а рамнотежата ќе се префрли на почетните материи.
Ако го зголемите притисокот, тоа ќе доведе до промена на рамнотежата на помали волумени гасовити материи. Во дадениот пример, има 4 молови гасовити почетни материјали и 2 молови гасовити производи, што значи дека рамнотежата ќе се помести кон производите на реакцијата.
Ако концентрацијата на почетната супстанција се зголеми, рамнотежата ќе се помести во насока на напредната реакција и обратно. Така, ако ги зголемите концентрациите на N 2 или Η 2, тогаш рамнотежата ќе се помести во насока напред, а ако амонијак, тогаш во спротивна насока.
Хемиска рамнотежа и принципи на нејзино поместување (принципот на Ле Шателје)
При реверзибилни реакции, под одредени услови, може да дојде до состојба на хемиска рамнотежа. Ова е состојба во која станува стапката на обратна реакција еднаква брзинадиректна реакција. Но, за да се помести рамнотежата во една или друга насока, неопходно е да се променат условите за реакцијата. Принципот на поместување на рамнотежата е принципот на Ле Шателје.
Клучните точки:
1. Надворешно влијаниена систем кој е во состојба на рамнотежа, доведува до поместување на оваа рамнотежа во насоката во која ефектот на произведениот удар е ослабен.
2. Кога концентрацијата на една од супстанциите што реагираат се зголемува, рамнотежата се поместува кон потрошувачката на оваа супстанца, кога концентрацијата се намалува, рамнотежата се поместува кон формирање на оваа супстанца.
3. Со зголемување на притисокот, рамнотежата се поместува кон намалување на количината на гасовити материи, односно кон намалување на притисокот; кога притисокот се намалува, рамнотежата се поместува кон зголемени количини на гасовити материи, односно кон зголемување на притисокот. Ако реакцијата се одвива без промена на бројот на молекули на гасовити материи, тогаш притисокот не влијае на рамнотежната положба во овој систем.
4. Кога температурата се зголемува, рамнотежата се поместува кон ендотермичката реакција, а кога температурата се намалува, кон егзотермната реакција.
За принципите му благодариме на прирачникот „Почетоци на хемијата“ Кузменко Н.Е., Еремин В.В., Попков В.А.
Задачи за унифициран државен испит за хемиска рамнотежа (поранешен А21)
Задача бр. 1.
H2S(g) ↔ H2(g) + S(g) - Q
1. Зголемен притисок
2. Зголемување на температурата
3. Намален притисок
Објаснување:Прво, да ја разгледаме реакцијата: сите супстанции се гасови, а на десната страна има две молекули на производи, а лево има само една, реакцијата е исто така ендотермична (-Q). Затоа, да ја разгледаме промената на притисокот и температурата. Ни треба рамнотежата за да се префрли кон производите на реакцијата. Ако го зголемиме притисокот, тогаш рамнотежата ќе се префрли кон намалување на волуменот, односно кон реактантите - ова не ни одговара. Ако ја зголемиме температурата, тогаш рамнотежата ќе се префрли кон ендотермната реакција, во нашиот случај кон производите, што и се бараше. Точниот одговор е 2.
Задача бр. 2.
Хемиска рамнотежа во системот
SO3 (g) + NO (g) ↔ SO2 (g) + NO2 (g) - Q
ќе се префрли кон формирање на реагенси кога:
1. Зголемување на концентрацијата на NO
2. Зголемување на концентрацијата на SO2
3. Температурата се зголемува
4. Зголемен притисок
Објаснување:сите супстанции се гасови, но волумените на десната и левата страна на равенката се исти, така што притисокот нема да влијае на рамнотежата во системот. Размислете за промена на температурата: како што температурата се зголемува, рамнотежата се поместува кон ендотермичката реакција, токму кон реактантите. Точниот одговор е 3.
Задача бр.3.
Во системот
2NO2(g) ↔ N2O4(g) + Q
промената на рамнотежата налево ќе придонесе
1. Зголемување на притисокот
2. Зголемување на концентрацијата на N2O4
3. Пад на температурата
4. Воведување на катализатор
Објаснување:Да обрнеме внимание на фактот дека волумените на гасовити материи на десната и левата страна на равенката не се еднакви, затоа промената на притисокот ќе влијае на рамнотежата во овој систем. Имено, со зголемување на притисокот, рамнотежата се поместува кон намалување на количината на гасовити материи, односно надесно. Ова не ни одговара. Реакцијата е егзотермна, затоа промената на температурата ќе влијае на рамнотежата на системот. Како што температурата се намалува, рамнотежата ќе се префрли кон егзотермната реакција, односно, исто така, надесно. Како што се зголемува концентрацијата на N2O4, рамнотежата се поместува кон потрошувачката на оваа супстанца, односно налево. Точниот одговор е 2.
Задача бр.4.
Во реакција
2Fe(s) + 3H2O(g) ↔ 2Fe2O3(s) + 3H2(g) - Q
рамнотежата ќе се помести кон производите на реакцијата кога
1. Зголемен притисок
2. Додавање катализатор
3. Додавање на железо
4. Додавање вода
Објаснување:бројот на молекули во десниот и левиот дел е ист, така што промената на притисокот нема да влијае на рамнотежата во овој систем. Ајде да размислиме за зголемување на концентрацијата на железо - рамнотежата треба да се префрли кон потрошувачката на оваа супстанција, односно надесно (кон производите на реакцијата). Точниот одговор е 3.
Задача бр.5.
Хемиска рамнотежа
H2O(l) + C(t) ↔ H2(g) + CO(g) - Q
ќе се префрли кон формирање на производи во случајот
1. Зголемен притисок
2. Зголемување на температурата
3. Зголемување на времето на процесот
4. Апликации за катализатори
Објаснување:промената на притисокот нема да влијае на рамнотежата во даден систем, бидејќи не сите супстанции се гасовити. Како што се зголемува температурата, рамнотежата се поместува кон ендотермичката реакција, односно надесно (кон формирање на производи). Точниот одговор е 2.
Задача бр.6.
Како што се зголемува притисокот, хемиската рамнотежа ќе се префрли кон производите во системот:
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
Објаснување:Реакциите 1 и 4 не се засегнати од промените во притисокот, бидејќи не сите супстанции кои учествуваат се гасовити; во равенката 2, бројот на молекули на десната и левата страна е ист, така што притисокот нема да влијае. Останува равенката 3. Да провериме: со зголемување на притисокот, рамнотежата треба да се помести кон сè помали количини на гасовити материи (4 молекули десно, 2 молекули лево), односно кон производите на реакцијата. Точниот одговор е 3.
Задача бр.7.
Не влијае на промената на рамнотежата
H2 (g) + I2 (g) ↔ 2HI (g) - Q
1. Зголемување на притисокот и додавање катализатор
2. Покачување на температурата и додавање на водород
3. Намалување на температурата и додавање на водород јодид
4. Додавање на јод и додавање на водород
Објаснување:во десниот и левиот дел количините на гасовити материи се исти, така што промената на притисокот нема да влијае на рамнотежата во системот, а додавањето катализатор исто така нема да влијае, бидејќи штом додадеме катализатор, директната реакцијата ќе се забрза, а потоа веднаш ќе се врати обратната и рамнотежата во системот. Точниот одговор е 1.
Задача бр.8.
Да се помести рамнотежата во реакција надесно
2NO(g) + O2(g) ↔ 2NO2(g); ΔH°<0
се бара
1. Воведување на катализатор
2. Намалување на температурата
3. Намалете го притисокот
4. Намалена концентрација на кислород
Објаснување:намалувањето на концентрацијата на кислород ќе доведе до поместување на рамнотежата кон реактантите (лево). Намалувањето на притисокот ќе ја префрли рамнотежата кон намалување на количината на гасовити материи, односно надесно. Точниот одговор е 3.
Задача бр.9.
Принос на производот во егзотермна реакција
2NO (g) + O2 (g) ↔ 2NO2 (g)
со истовремено зголемување на температурата и намалување на притисокот
1. Зголемете
2. Ќе се намали
3. Нема да се промени
4. Прво ќе се зголеми, па потоа ќе се намали
Објаснување:кога температурата се зголемува, рамнотежата се поместува кон ендотермната реакција, односно кон производите, а кога притисокот се намалува, рамнотежата се поместува кон зголемување на количините на гасовити материи, односно и налево. Затоа, приносот на производот ќе се намали. Точниот одговор е 2.
Задача бр.10.
Зголемување на приносот на метанол во реакцијата
CO + 2H2 ↔ CH3OH + Q
промовира
1. Зголемување на температурата
2. Воведување на катализатор
3. Воведување на инхибитор
4. Зголемен притисок
Објаснување:со зголемување на притисокот, рамнотежата се поместува кон ендотермичката реакција, односно кон реактантите. Зголемувањето на притисокот ја поместува рамнотежата кон намалување на количините на гасовити материи, односно кон формирање на метанол. Точниот одговор е 4.
Задачи за независно решение (одговори подолу)
1. Во системот
CO(g) + H2O(g) ↔ CO2(g) + H2(g) + П
промената на хемиската рамнотежа кон реакционите продукти ќе биде олеснета со
1. Намалување на притисокот
2. Зголемување на температурата
3. Зголемување на концентрацијата на јаглерод моноксид
4. Зголемување на концентрацијата на водород
2. Во кој систем, кога притисокот се зголемува, рамнотежата се поместува кон производите на реакцијата?
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. Хемиска рамнотежа во системот
2HBr(g) ↔ H2(g) + Br2(g) - Q
ќе се префрли кон производите на реакцијата кога
1. Зголемен притисок
2. Зголемување на температурата
3. Намален притисок
4. Користење на катализатор
4. Хемиска рамнотежа во системот
C2H5OH + CH3COOH ↔ CH3COOC2H5 + H2O + П
се поместува кон производите на реакцијата кога
1. Додавање вода
2. Намалување на концентрацијата на оцетна киселина
3. Зголемување на концентрацијата на етер
4. При отстранување на естер
5. Хемиска рамнотежа во системот
2NO(g) + O2(g) ↔ 2NO2(g) + Q
се поместува кон формирање на реакциониот производ кога
1. Зголемен притисок
2. Зголемување на температурата
3. Намален притисок
4. Примена на катализатор
6. Хемиска рамнотежа во системот
CO2(g) + C(s) ↔ 2СО(g) - Q
ќе се префрли кон производите на реакцијата кога
1. Зголемен притисок
2. Намалување на температурата
3. Зголемување на концентрацијата на CO
4. Температурата се зголемува
7. Промените во притисокот нема да влијаат на состојбата на хемиската рамнотежа во системот
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. Во кој систем, со зголемен притисок, хемиската рамнотежа ќе се помести кон почетните материи?
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. Хемиска рамнотежа во системот
С4Н10(g) ↔ С4Н6(g) + 2Н2(g) - Q
ќе се префрли кон производите на реакцијата кога
1. Зголемување на температурата
2. Намалување на температурата
3. Користење на катализатор
4. Намалување на концентрацијата на бутан
10. За состојбата на хемиска рамнотежа во системот
H2 (g) + I2 (g) ↔ 2HI (g) -Q
не влијае
1. Зголемување на притисокот
2. Зголемување на концентрацијата на јод
3. Зголемување на температурата
4. Намалете ја температурата
Задачи за 2016 година
1. Воспоставете кореспонденција помеѓу равенката на хемиска реакција и поместувањето на хемиската рамнотежа со зголемен притисок во системот.
Равенка за реакција Поместување на хемиската рамнотежа
А) N2(g) + O2(g) ↔ 2NO(g) - Q 1. Се поместува кон директната реакција
Б) N2O4(g) ↔ 2NO2(g) - Q 2. Се поместува кон обратна реакција
Б) CaCO3(s) ↔ CaO(s) + CO2(g) - Q 3. Нема поместување во рамнотежата
Г) Fe3O4(s) + 4CO(g) ↔ 3Fe(s) + 4CO2(g) + Q
2. Воспоставете кореспонденција помеѓу надворешните влијанија врз системот:
CO2(g) + C(s) ↔ 2СО(g) - Q
и промена на хемиската рамнотежа.
A. Зголемување на концентрацијата на CO 1. Се префрла кон директна реакција
Б. Намалување на притисокот 3. Не доаѓа до поместување на рамнотежата
3. Воспоставете кореспонденција помеѓу надворешните влијанија врз системот
HCOOH(l) + C5H5OH(l) ↔ HCOOC2H5(l) + H2O(l) + Q
Надворешно влијание Поместување во хемиската рамнотежа
А. Додавање на HCOOH 1. Се поместува кон директна реакција
Б. Разредување со вода 3. Не доаѓа до поместување на рамнотежата
D. Зголемување на температурата
4. Воспоставете кореспонденција помеѓу надворешните влијанија врз системот
2NO(g) + O2(g) ↔ 2NO2(g) + Q
и промена на хемиската рамнотежа.
Надворешно влијание Поместување во хемиската рамнотежа
A. Намалување на притисокот 1. Се поместува кон напредната реакција
Б. Зголемување на температурата 2. Се поместува кон обратна реакција
Б. Зголемување на температурата на NO2 3. Не се јавува поместување на рамнотежата
D. Додавање на О2
5. Воспоставете кореспонденција помеѓу надворешните влијанија врз системот
4NH3(g) + 3O2(g) ↔ 2N2(g) + 6H2O(g) + Q
и промена на хемиската рамнотежа.
Надворешно влијание Поместување во хемиската рамнотежа
A. Намалување на температурата 1. Префрлете се на директна реакција
Б. Зголемување на притисокот 2. Се поместува кон обратна реакција
Б. Зголемување на концентрацијата во амонијак 3. Не се јавува промена во рамнотежата
D. Отстранување на водена пареа
6. Воспоставете кореспонденција помеѓу надворешните влијанија врз системот
WO3(s) + 3H2(g) ↔ W(s) + 3H2O(g) +Q
и промена на хемиската рамнотежа.
Надворешно влијание Поместување во хемиската рамнотежа
А. Зголемување на температурата 1. Се префрла кон директна реакција
Б. Зголемување на притисокот 2. Се поместува кон обратна реакција
Б. Употреба на катализатор 3. Нема поместување во рамнотежата
D. Отстранување на водена пареа
7. Воспоставете кореспонденција помеѓу надворешните влијанија врз системот
С4Н8(g) + Н2(g) ↔ С4Н10(g) + Q
и промена на хемиската рамнотежа.
Надворешно влијание Поместување во хемиската рамнотежа
A. Зголемување на концентрацијата на водород 1. Се префрла кон директна реакција
Б. Зголемување на температурата 2. Се поместува кон обратна реакција
Б. Зголемување на притисокот 3. Не доаѓа до поместување на рамнотежата
D. Употреба на катализатор
8. Воспоставете кореспонденција помеѓу равенката на хемиска реакција и истовремена промена на параметрите на системот, што доведува до поместување на хемиската рамнотежа кон директна реакција.
Равенка за реакција Менување на параметрите на системот
A. H2(g) + F2(g) ↔ 2HF(g) + Q 1. Зголемување на температурата и концентрацијата на водород
B. H2(g) + I2(s) ↔ 2HI(g) -Q 2. Намалување на температурата и концентрацијата на водород
B. CO(g) + H2O(g) ↔ CO2(g) + H2(g) + Q 3. Зголемување на температурата и намалување на концентрацијата на водород
D. C4H10(g) ↔ C4H6(g) + 2H2(g) -Q 4. Намалување на температурата и зголемување на концентрацијата на водород
9. Воспоставете кореспонденција помеѓу равенката на хемиска реакција и поместувањето на хемиската рамнотежа со зголемен притисок во системот.
Равенка на реакцијата Поместување на насоката на хемиската рамнотежа
A. 2HI(g) ↔ H2(g) + I2(s) 1. Се поместува кон директната реакција
B. C(g) + 2S(g) ↔ CS2(g) 2. Се поместува кон обратна реакција
Б. C3H6(g) + H2(g) ↔ C3H8(g) 3. Нема поместување во рамнотежата
G. H2(g) + F2(g) ↔ 2HF(g)
10. Воспоставете кореспонденција помеѓу равенката на хемиска реакција и истовремена промена на условите за нејзино спроведување, што доведува до поместување на хемиската рамнотежа кон директна реакција.
Равенка на реакција Промена на условите
A. N2(g) + H2(g) ↔ 2NH3(g) + Q 1. Зголемување на температурата и притисокот
B. N2O4 (l) ↔ 2NO2 (g) -Q 2. Намалување на температурата и притисокот
B. CO2(g) + C(s) ↔ 2CO(g) + Q 3. Зголемување на температурата и намалување на притисокот
D. 4HCl(g) + O2(g) ↔ 2H2O(g) + 2Cl2(g) + Q 4. Намалување на температурата и зголемување на притисокот
Одговори: 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 задачите им благодариме на збирките вежби за 2016, 2015, 2014, 2013, автори:
Кавернина А.А., Добротина Д.Ју., Снастина М.Г., Савинкина Е.В., Живеинова О.Г.
Ако надворешните услови на хемискиот процес не се променат, тогаш состојбата на хемиска рамнотежа може да остане на неодредено време. Со менување на условите за реакција (температура, притисок, концентрација) може да постигнете поместување или поместување на хемиската рамнотежа во потребната насока.
Поместувањето на рамнотежата надесно доведува до зголемување на концентрацијата на супстанциите чии формули се на десната страна на равенката. Поместувањето на рамнотежата налево ќе доведе до зголемување на концентрацијата на супстанциите чии формули се лево. Во овој случај, системот ќе премине во нова состојба на рамнотежа, која се карактеризира со други вредности на рамнотежни концентрации на учесниците во реакцијата.
Промената на хемиската рамнотежа предизвикана од променливите услови го почитува правилото формулирано во 1884 година од францускиот физичар А. Ле Шателје (принципот на Ле Шателје).
Принципот на Ле Шателје:ако системот во состојба на хемиска рамнотежа е подложен на какво било влијание, на пример, со промена на температурата, притисокот или концентрациите на реагенсите, тогаш рамнотежата ќе се помести во насока на реакцијата што го ослабува ефектот .
Ефектот на промените во концентрацијата врз промената на хемиската рамнотежа.
Според принципот на Ле Шателје Зголемувањето на концентрацијата на кој било од учесниците во реакцијата предизвикува промена на рамнотежата кон реакцијата што доведува до намалување на концентрацијата на оваа супстанца.
Влијанието на концентрацијата врз состојбата на рамнотежа е предмет на следниве правила:
Како што се зголемува концентрацијата на една од почетните супстанции, брзината на напредната реакција се зголемува и рамнотежата се поместува кон формирање на реакциони производи и обратно;
Како што се зголемува концентрацијата на еден од производите на реакцијата, брзината на обратната реакција се зголемува, што доведува до промена на рамнотежата во насока на формирање на почетните супстанции и обратно.
На пример, ако во рамнотежен систем:
SO 2 (g) + NO 2 (g) SO 3 (g) + NO (g)
зголемете ја концентрацијата на SO 2 или NO 2, а потоа, во согласност со законот за масовно дејство, брзината на директната реакција ќе се зголеми. Ова ќе доведе до поместување на рамнотежата надесно, што ќе доведе до потрошувачка на почетни супстанции и зголемување на концентрацијата на реакционите производи. Ќе се воспостави нова рамнотежна состојба со нови рамнотежни концентрации на почетните супстанции и производите на реакцијата. Кога концентрацијата на, на пример, еден од производите на реакцијата се намалува, системот ќе реагира на таков начин што ќе ја зголеми концентрацијата на производот. Предноста ќе биде дадена на директната реакција, што доведува до зголемување на концентрацијата на реакционите производи.
Влијанието на промените на притисокот врз поместувањето на хемиската рамнотежа.
Според принципот на Ле Шателје зголемувањето на притисокот доведува до поместување на рамнотежата кон формирање на помалку гасовити честички, т.е. кон помал волумен.
На пример, во реверзибилна реакција:
2NO 2 (g) 2NO (g) + O 2 (g)
од 2 mol NO 2 се формираат 2 mol NO и 1 mol O 2. Стоихиометриските коефициенти пред формулите на гасовити материи укажуваат дека појавата на напредна реакција доведува до зголемување на бројот на молови гасови, а појавата на обратна реакција, напротив, го намалува бројот на молови на гасовита супстанција. Ако на таков систем се изврши надворешно влијание со, на пример, зголемување на притисокот, тогаш системот ќе реагира на таков начин што ќе го ослабне ова влијание. Притисокот може да се намали ако рамнотежата на дадена реакција се помести кон помалку молови од гасовитата супстанција, а со тоа и помал волумен.
Напротив, зголемувањето на притисокот во овој систем е поврзано со поместување на рамнотежата надесно - кон распаѓање на NO 2, со што се зголемува количината на гасовита материја.
Ако бројот на молови на гасовити материи пред и по реакцијата остане константен, т.е. волуменот на системот не се менува за време на реакцијата, тогаш промената на притисокот подеднакво ги менува стапките на напредните и обратните реакции и не влијае на состојбата на хемиската рамнотежа.
На пример, во реакција:
H 2 (g) + Cl 2 (g) 2HCl (g),
вкупниот број на молови на гасовити материи пред и по реакцијата останува константен и притисокот во системот не се менува. Рамнотежата во овој систем не се менува кога се менува притисокот.
Влијанието на температурните промени врз поместувањето на хемиската рамнотежа.
Во секоја реверзибилна реакција, една од насоките одговара на егзотермичен процес, а другата на ендотермичен процес. Значи, во реакцијата на синтеза на амонијак, напредната реакција е егзотермна, а обратната реакција е ендотермична.
N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) + Q (-ΔH).
Кога температурата се менува, стапките и на напредните и на обратните реакции се менуваат, меѓутоа, промените на брзината не се случуваат во иста мера. Во согласност со равенката Арениус, ендотермичката реакција, која се карактеризира со голема енергија на активирање, реагира на поголем степен на температурни промени.
Затоа, за да се процени влијанието на температурата врз насоката на поместување на хемиската рамнотежа, неопходно е да се знае термичкиот ефект на процесот. Може да се определи експериментално, на пример, со помош на калориметар или да се пресмета врз основа на законот на Г. Хес. Треба да се напомене дека промената на температурата доведува до промена на вредноста на константата на хемиската рамнотежа (K p).
Според принципот на Ле Шателје Зголемувањето на температурата ја менува рамнотежата кон ендотермична реакција. Како што температурата се намалува, рамнотежата се поместува кон егзотермната реакција.
Така, зголемување на температуратаво реакцијата на синтеза на амонијак ќе доведе до промена на рамнотежата кон ендотермичнареакции, т.е. на лево. Предноста е дадена на обратната реакција, која се јавува со апсорпција на топлина.
Состојбата на рамнотежа за реверзибилна реакција може да трае бесконечно (без надворешна интервенција). Но, ако се изврши надворешно влијание врз таков систем (промена на температурата, притисокот или концентрацијата на финалните или почетните супстанции), тогаш состојбата на рамнотежа ќе биде нарушена. Брзината на една од реакциите ќе стане поголема од брзината на другата. Со текот на времето, системот повторно ќе заземе рамнотежна состојба, но новите рамнотежни концентрации на почетните и крајните супстанции ќе се разликуваат од првобитните. Во овој случај, тие зборуваат за промена на хемиската рамнотежа во една или друга насока.
Ако, како резултат на надворешно влијание, брзината на напредната реакција стане поголема од брзината на обратната реакција, тоа значи дека хемиската рамнотежа се поместила надесно. Ако, напротив, брзината на обратната реакција стане поголема, тоа значи дека хемиската рамнотежа се префрлила налево.
Кога рамнотежата се поместува надесно, концентрациите на рамнотежа на почетните супстанции се намалуваат и концентрациите на рамнотежа на крајните супстанции се зголемуваат во споредба со почетната рамнотежна концентрација. Соодветно на тоа, се зголемува и приносот на реакционите производи.
Поместувањето на хемиската рамнотежа налево предизвикува зголемување на рамнотежните концентрации на почетните супстанции и намалување на рамнотежните концентрации на финалните производи, чиј принос ќе се намали.
Насоката на поместувањето на хемиската рамнотежа се одредува со користење на принципот на Ле Шателје: „Ако се изврши надворешно влијание врз систем во состојба на хемиска рамнотежа (промена на температурата, притисокот, концентрацијата на една или повеќе супстанции кои учествуваат во реакцијата), ова ќе доведе до зголемување на брзината на таа реакција, чиешто појавување ќе го компензира (намали) влијанието“.
На пример, како што се зголемува концентрацијата на почетните супстанции, брзината на напредната реакција се зголемува и рамнотежата се поместува надесно. Кога концентрацијата на почетните супстанции се намалува, напротив, брзината на обратната реакција се зголемува, а хемиската рамнотежа се поместува налево.
Кога температурата се зголемува (т.е. кога системот се загрева), рамнотежата се поместува кон ендотермичката реакција, а кога се намалува (т.е. кога системот се лади) - кон егзотермната реакција. (Ако напредната реакција е егзотермна, тогаш обратната реакција нужно ќе биде ендотермична, и обратно).
Треба да се нагласи дека зголемувањето на температурата, како по правило, ја зголемува брзината и на напредните и на обратните реакции, но стапката на ендотермична реакција се зголемува во поголема мера од стапката на егзотермна реакција. Според тоа, кога системот се лади, стапките на напредни и обратни реакции се намалуваат, но исто така не во иста мера: за егзотермна реакција е значително помала отколку за ендотермична.
Промената на притисокот влијае на промената на хемиската рамнотежа само ако се исполнети два услови:
потребно е барем една од супстанциите кои учествуваат во реакцијата да биде во гасовита состојба, на пример:
CaCO 3 (s) CaO (s) + CO 2 (g) - промената на притисокот влијае на поместувањето на рамнотежата.
CH 3 COOH (течност) + C 2 H 5 OH (течност) CH 3 COOC 2 H 5 (течност) + H 2 O (течност) – промената на притисокот не влијае на поместувањето на хемиската рамнотежа, бидејќи ниту една од почетните или финалните супстанции не е во гасовита состојба;
ако неколку супстанции се во гасовита состојба, потребно е бројот на молекули на гас од левата страна на равенката за таква реакција да не е еднаков на бројот на молекули на гас на десната страна на равенката, на пример:
2SO 2 (g) + O 2 (g) 2SO 3 (g) - промените на притисокот влијаат на поместувањето на рамнотежата
I 2 (g) + H 2 (g) 2НI (g) - промената на притисокот не влијае на поместувањето на рамнотежата
Кога овие два услови се исполнети, зголемувањето на притисокот доведува до промена на рамнотежата кон реакција, чија појава го намалува бројот на молекули на гас во системот. Во нашиот пример (каталитичко согорување на SO 2) ова ќе биде директна реакција.
Намалувањето на притисокот, напротив, ја поместува рамнотежата кон реакцијата што се јавува со формирање на поголем број на молекули на гас. Во нашиот пример, ова ќе биде спротивна реакција.
Зголемувањето на притисокот предизвикува намалување на волуменот на системот, а со тоа и зголемување на моларните концентрации на гасовити материи. Како резултат на тоа, стапката на напредни и обратни реакции се зголемува, но не во иста мера. Намалувањето на притисокот според слична шема доведува до намалување на стапките на напредни и обратни реакции. Но, во исто време, стапката на реакција, кон која се поместува рамнотежата, се намалува во помала мера.
Катализаторот не влијае на поместувањето на рамнотежата, бидејќи ги забрзува (или успорува) и напредните и обратните реакции во иста мера. Во негово присуство, хемиската рамнотежа се воспоставува само побрзо (или побавно).
Ако еден систем е под влијание на неколку фактори истовремено, тогаш секој од нив дејствува независно од другите. На пример, во синтезата на амонијак
N 2 (гас) + 3H 2 (гас) 2NH 3 (гас)
реакцијата се изведува со загревање и во присуство на катализатор за да се зголеми нејзината брзина.Но, ефектот на температурата води до тоа дека рамнотежата на реакцијата се поместува налево, кон обратната ендотермична реакција. Ова предизвикува намалување на излезот на NH 3. За да се компензира овој непожелен ефект на температурата и да се зголеми приносот на амонијак, притисокот во системот истовремено се зголемува, што ја поместува рамнотежата на реакцијата надесно, т.е. кон формирање на помалку молекули на гас.
Во овој случај, експериментално се избираат најоптималните услови за реакцијата (температура, притисок), при што таа би продолжила со доволно голема брзина и би дала економски исплатлив принос на финалниот производ.
Принципот на Ле Шателје на сличен начин се користи во хемиската индустрија при производство на голем број различни супстанции од големо значење за националната економија.
Принципот на Ле Шателие е применлив не само за реверзибилни хемиски реакции, туку и за разни други процеси на рамнотежа: физички, физичко-хемиски, биолошки.
Возрасното човечко тело се карактеризира со релативна постојаност на многу параметри, вклучувајќи различни биохемиски индикатори, вклучувајќи ги и концентрациите на биолошки активни супстанции. Меѓутоа, таквата состојба не може да се нарече рамнотежа, бидејќи не е применлив за отворени системи.
Човечкото тело, како и секој жив систем, постојано разменува различни материи со околината: троши храна и ослободува производи од нивната оксидација и распаѓање. Затоа е типично за еден организам стабилна состојба, дефинирана како постојаност на неговите параметри при постојана стапка на размена на материјата и енергијата со околината. На прво приближување, стационарната состојба може да се смета како серија на состојби на рамнотежа меѓусебно поврзани со процеси на релаксација. Во состојба на рамнотежа, концентрациите на супстанциите кои учествуваат во реакцијата се одржуваат поради надополнување на почетните производи однадвор и отстранување на финалните производи кон надвор. Промената на нивната содржина во телото не води, за разлика од затворените системи, до нова термодинамичка рамнотежа. Системот се враќа во првобитната состојба. Така, се одржува релативната динамичка константност на составот и својствата на внатрешната средина на телото, што ја одредува стабилноста на неговите физиолошки функции. Ова својство на живиот систем се нарекува поинаку хомеостаза.
За време на животот на еден организам во стационарна состојба, за разлика од затворениот систем на рамнотежа, се јавува зголемување на ентропијата. Меѓутоа, заедно со ова, истовремено се случува и обратниот процес - намалување на ентропијата поради потрошувачката на хранливи материи со ниска вредност на ентропија од околината (на пример, високомолекуларни соединенија - протеини, полисахариди, јаглени хидрати итн.) и ослободување на производи на распаѓање во животната средина. Според ставот на И.Р. Пригожин, вкупното производство на ентропија за организам во стационарна состојба се стреми кон минимум.
Голем придонес во развојот на нерамнотежна термодинамика беше направен од I. R. Prigozhy, добитник на Нобеловата награда во 1977 година, кој тврдеше дека „во секој нерамнотежен систем постојат локални области кои се во рамнотежна состојба. Во класичната термодинамика, рамнотежата се однесува на целиот систем, но во нерамнотежа, само на неговите поединечни делови.
Утврдено е дека ентропијата во таквите системи се зголемува за време на ембриогенезата, за време на процесите на регенерација и растот на малигните неоплазми.
9. Брзина на хемиска реакција. Хемиска рамнотежа
9.2. Хемиска рамнотежа и нејзино поместување
Повеќето хемиски реакции се реверзибилни, т.е. истовремено тече и во насока на формирање на производи и во насока на нивно распаѓање (од лево кон десно и од десно кон лево).
Примери на равенки за реакција за реверзибилни процеси:
N 2 + 3H 2 ⇄ t °, p, мачка 2NH 3
2SO 2 + O 2 ⇄ t ° , p , мачка 2SO 3
H 2 + I 2 ⇄ t ° 2HI
Реверзибилните реакции се карактеризираат со посебна состојба наречена состојба на хемиска рамнотежа.
Хемиска рамнотежа- ова е состојба на системот во која стапките на напредни и обратни реакции стануваат еднакви. При движење кон хемиска рамнотежа, брзината на напредната реакција и концентрацијата на реактантите се намалуваат, додека обратната реакција и концентрацијата на производите се зголемуваат.
Во состојба на хемиска рамнотежа, во единица време се формира онолку производ колку што се распаѓа. Како резултат на тоа, концентрациите на супстанциите во состојба на хемиска рамнотежа не се менуваат со текот на времето. Сепак, тоа воопшто не значи дека рамнотежните концентрации или маси (волумини) на сите супстанции се нужно еднакви една со друга (види Сл. 9.8 и 9.9). Хемиската рамнотежа е динамична (мобилна) рамнотежа која може да одговори на надворешни влијанија.
Преминот на рамнотежен систем од една рамнотежна состојба во друга се нарекува поместување или промена на рамнотежата. Во пракса, тие зборуваат за поместување на рамнотежата кон производите на реакцијата (надесно) или кон почетните супстанции (налево); напредна реакција е онаа што се јавува од лево кон десно, а обратна реакција се случува од десно кон лево. Состојбата на рамнотежа е прикажана со две спротивно насочени стрелки: ⇄.
Принципот на поместување на рамнотежатабеше формулиран од францускиот научник Ле Шателје (1884): надворешното влијание врз системот кој е во рамнотежа доведува до промена на оваа рамнотежа во насока што го ослабува ефектот на надворешното влијание.
Дозволете ни да ги формулираме основните правила за поместување на рамнотежата.
Ефект на концентрација: кога концентрацијата на супстанцијата се зголемува, рамнотежата се поместува кон нејзината потрошувачка, а кога се намалува, кон нејзиното формирање.
На пример, со зголемување на концентрацијата на H 2 во реверзибилна реакција
H 2 (g) + I 2 (g) ⇄ 2HI (g)
брзината на напредната реакција, во зависност од концентрацијата на водородот, ќе се зголеми. Како резултат на тоа, рамнотежата ќе се префрли надесно. Како што се намалува концентрацијата на H 2, брзината на напредната реакција ќе се намали, како резултат на тоа, рамнотежата на процесот ќе се префрли налево.
Ефект на температурата: Кога температурата се зголемува, рамнотежата се поместува кон ендотермичката реакција, а кога температурата се намалува, се поместува кон егзотермната реакција.
Важно е да се запамети дека како што се зголемува температурата, брзината на егзо- и ендотермните реакции се зголемува, но поголем бројпати - ендотермична реакција, за која Е а е секогаш поголема. Како што се намалува температурата, брзината на двете реакции се намалува, но повторно за поголем број пати - ендотермична. Удобно е да се илустрира ова со дијаграм во кој вредноста на брзината е пропорционална на должината на стрелките, а рамнотежата се поместува во насока на подолгата стрелка.
Ефект на притисок: Промената на притисокот влијае на состојбата на рамнотежа само кога гасовите се вклучени во реакцијата, па дури и кога гасовитата супстанција е само на едната страна од хемиската равенка. Примери на равенки за реакција:
- притисокот влијае на промената на рамнотежата:
3H 2 (g) + N 2 (g) ⇄ 2NH 3 (g),
CaO (tv) + CO 2 (g) ⇄ CaCO 3 (tv);
- притисокот не влијае на промената на рамнотежата:
Cu (sv) + S (sv) = CuS (sv),
NaOH (раствор) + HCl (раствор) = NaCl (раствор) + H 2 O (l).
Кога притисокот се намалува, рамнотежата се поместува кон формирање на поголемо хемиско количество гасовити материи, а кога се зголемува, рамнотежата се поместува кон формирање на помала хемиска количина на гасовити материи. Ако хемиските количини на гасови во двете страни на равенката се исти, тогаш притисокот не влијае на состојбата на хемиската рамнотежа:
H 2 (g) + Cl 2 (g) = 2HCl (g).
Ова е лесно да се разбере, имајќи предвид дека ефектот од промената на притисокот е сличен на ефектот од промената на концентрацијата: со зголемување на притисокот n пати, концентрацијата на сите супстанции во рамнотежа се зголемува за иста количина (и обратно ).
Ефект на волуменот на реакциониот систем: промената на волуменот на реакциониот систем е поврзана со промена на притисокот и влијае само на рамнотежната состојба на реакциите кои вклучуваат гасовити супстанции. Намалувањето на волуменот значи зголемување на притисокот и ја поместува рамнотежата кон формирање на помалку хемиски гасови. Зголемувањето на волуменот на системот доведува до намалување на притисокот и промена на рамнотежата кон формирање на поголема хемиска количина на гасовити материи.
Воведувањето на катализатор во системот за рамнотежа или промената на неговата природа не ја менува рамнотежата (не го зголемува приносот на производот), бидејќи катализаторот ги забрзува и напредните и обратните реакции во иста мера. Ова се должи на фактот дека катализаторот подеднакво ја намалува енергијата на активирање на напредните и обратните процеси. Тогаш зошто користат катализатор во реверзибилни процеси? Факт е дека употребата на катализатор во реверзибилни процеси промовира брз почеток на рамнотежа, а тоа ја зголемува ефикасноста на индустриското производство.
Конкретни примери за влијанието на различни фактори врз поместувањето на рамнотежата се дадени во Табела. 9.1 за реакцијата на синтеза на амонијак што се јавува со ослободување на топлина. Со други зборови, напредната реакција е егзотермна, а обратната реакција е ендотермична.
Табела 9.1
Влијанието на различни фактори врз промената на рамнотежата на реакцијата на синтеза на амонијак
| Фактор што влијае на системот за рамнотежа | Насока на поместување на реакцијата на рамнотежа 3 H 2 + N 2 ⇄ t, p, cat 2 NH 3 + Q |
|---|---|
| Зголемување на концентрацијата на водород, s (H 2) | Рамнотежата се поместува надесно, системот реагира со намалување на c (H 2) |
| Намалување на концентрацијата на амонијак, s (NH 3)↓ | Рамнотежата се поместува надесно, системот реагира со зголемување на c (NH 3) |
| Зголемување на концентрацијата на амонијак, s (NH 3) | Рамнотежата се поместува налево, системот реагира со намалување на c (NH 3) |
| Намалување на концентрацијата на азот, s (N 2)↓ | Рамнотежата се поместува налево, системот реагира со зголемување на c (N 2) |
| Компресија (намалување на волуменот, зголемување на притисокот) | Рамнотежата се поместува надесно, кон намалување на волуменот на гасовите |
| Проширување (зголемување на волуменот, намалување на притисокот) | Рамнотежата се поместува налево, кон зголемување на волуменот на гасот |
| Зголемен притисок | Рамнотежата се поместува надесно, кон помал волумен на гас |
| Намален притисок | Рамнотежата се поместува налево, кон поголем волумен на гасови |
| Зголемување на температурата | Рамнотежата се поместува налево, кон ендотермичката реакција |
| Пад на температурата | Рамнотежата се поместува надесно, кон егзотермната реакција |
| Додавање катализатор | Рамнотежата не се менува |
Пример 9.3. Во состојба на процесна рамнотежа
2SO 2 (g) + O 2 (g) ⇄ 2SO 3 (g)
концентрациите на супстанциите (mol/dm 3) SO 2, O 2 и SO 3 се соодветно 0,6, 0,4 и 0,2. Најдете ги почетните концентрации на SO 2 и O 2 (почетната концентрација на SO 3 е нула).
Решение. За време на реакцијата, затоа се трошат SO 2 и O 2
c надвор (SO 2) = c еднакво (SO 2) + c надвор (SO 2),
c надвор (O 2) = c еднакво (O 2) + c надвор (O 2).
Вредноста на потрошеното c се наоѓа со користење на c (SO 3):
x = 0,2 mol/dm3.
c out (SO 2) = 0,6 + 0,2 = 0,8 (mol/dm 3).
y = 0,1 mol/dm3.
c out (O 2) = 0,4 + 0,1 = 0,5 (mol/dm 3).
Одговор: 0,8 mol/dm 3 SO 2; 0,5 mol/dm 3 O 2.
При извршувањето на испитните задачи често се меша влијанието на различни фактори, од една страна, на брзината на реакција, а од друга, на поместувањето на хемиската рамнотежа.
За реверзибилен процес
со зголемување на температурата, се зголемува брзината и на напредните и на обратните реакции; како што се намалува температурата, се намалува брзината на напредните и обратните реакции;
со зголемен притисок, стапките на сите реакции што се случуваат со учество на гасови се зголемуваат, и директно и обратно. Како што се намалува притисокот, брзината на сите реакции што се случуваат со учество на гасови, директно и обратно, се намалува;
воведувањето катализатор во системот или неговото заменување со друг катализатор не ја поместува рамнотежата.
Пример 9.4. Настанува реверзибилен процес, опишан со равенката
N 2 (g) + 3H 2 (g) ⇄ 2NH 3 (g) + Q
Размислете кои фактори: 1) ја зголемуваат брзината на синтеза на реакцијата на амонијак; 2) поместете ја рамнотежата надесно:
а) намалување на температурата;
б) зголемување на притисокот;
в) намалување на концентрацијата на NH 3;
г) употреба на катализатор;
д) зголемување на концентрацијата на N 2.
Решение. Факторите б), г) и д) ја зголемуваат брзината на реакција на синтеза на амонијак (како и зголемување на температурата, зголемување на концентрацијата на H 2); поместете ја рамнотежата надесно - а), б), в), д).
Одговор: 1) б, г, г; 2) а, б, в, г.
Пример 9.5. Подолу е енергетскиот дијаграм на реверзибилна реакција
Наведете ги сите вистинити изјави:
а) обратната реакција се одвива побрзо од директната реакција;
б) со зголемување на температурата, брзината на обратната реакција се зголемува повеќе пати од напредната реакција;
в) се јавува директна реакција со апсорпција на топлина;
г) температурниот коефициент γ е поголем за обратната реакција.
Решение.
а) Исказот е точен, бидејќи E arr = 500 − 300 = 200 (kJ) е помала од E arr = 500 − 200 = 300 (kJ).
б) Исказот е неточен, брзината на директната реакција за која Е a е поголема се зголемува за поголем број пати.
в) Исказот е точен, Q pr = 200 − 300 = −100 (kJ).
г) Исказот е неточен, γ е поголем за директна реакција, во кој случај E a е поголем.
Одговор: а), в).