Как сделать химическое равновесие

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 18.09.2024

Химическим равновесием называется состояние химической системы, при котором количества исходных веществ и продуктов не меняются со временем, но при этом протекают химические реакции, а система является закрытой, то есть не обменивается с окружающим миром веществом.

То есть равновесной не будет ни система, в которой количество вещества постоянно потому, что никаких реакций нет, ни система, в которой постоянство состава поддерживается добавлением или отводом каких-то компонентов системы.

При равновесии в обратимом процессе скорости прямой и обратной реакций равны.

Рассмотрим закрытый сосуд, в котором идет обратимая химическая реакция, например СО + H₂О ⇄ CО₂ + H₂. Эта запись означает одновременное протекание двух процессов: прямого СО + H₂О→ CО₂ + H₂ и обратного CO₂ + H₂ → CO + H₂O.

В состоянии равновесия в системе не изменяются концентрации реагентов и продуктов, то есть кажется, что в реакционном сосуде ничего не происходит. На самом деле прямая и обратная реакции идут с одинаковой скоростью и за то время, пока некоторое количество смеси CО и Н₂О превращается в углекислый газ и водород, столько же СО и Н₂О образуются из СO₂ и Н₂.

Обратите внимание : в равновесии равны скорости прямой и обратной реакций, а концентрации участников постоянны, но не обязательно равны. Например, в нашей стране равновесие: один президент на 140 миллионов человек. Скорость, с которой старый президент уходит с работы, равна скорости, с которой избирается новый; таким образом, концентрация президентов постоянна.

Но стоит изменить условия, в которых находится система, положение равновесия (то есть равновесные концентрации участников процесса) изменится.

Принцип Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказывается внешнее воздействие, то равновесие сместится таким образом, чтобы это воздействие нейтрализовать.

Основные факторы, влияющие на положение равновесия:

Давление
Температура
Концентрации реагентов и продуктов

Важно: катализатор не влияет на положение равновесия!

1) Давление

Изменение давления влияет только на газы. Твердые тела и жидкости практически несжимаемы, а газы подчиняются уравнению Менделеева-Клапейрона или , где с – концентрация. При увеличении давления возрастает концентрация газа, то есть расстояние между молекулами уменьшается.

При увеличении давления молекулы газа становятся ближе друг к другу, при уменьшении – дальше, чем были в равновесии. Для того, чтобы согласно принципу Ле Шателье сделать межмолекулярное расстояние прежним при увеличении давления равновесие смещается туда, где меньше моль газов, при уменьшении – туда, где больше.

Химическое равновесие – это такое состояние системы при котором скорость прямой и обратной реакции равны.

На химическое равновесие влияют:

Концентрация реагирующих веществ, температура, давление (для газов).

Принцип Ле – Шателье:

Если на систему, находящуюся в химическом равновесии, производится какое либо внешнее воздействие, тов системе усиливаются процессы, которые стремятся свести это воздействие к минимуму.

Состояние обратимой реакции, при котором скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции, называется химическим равновесием.

Химическое равновесие является динамическим равновесием. В равновесном состоянии продолжают протекать и прямая, и обратная реакции, но так как скорости их равны, концентрации всех веществ в реакционной системе не изменяются. Эти концентрации называются равновесными концентрациями.

Смещение химического равновесия

Принцип Ле-Шателье

Химическое равновесие является подвижным. При изменении внешних условий скорости прямой и обратной реакций могут стать неодинаковыми, что обусловливает смещение (сдвиг) равновесия.

Если в результате внешнего воздействия скорость прямой реакции становится больше скорости обратной реакции, то говорят о смещении равновесия вправо (в сторону прямой реакции). Если скорость обратной реакции становится больше скорости прямой реакции, то говорят о смещении равновесия влево (в сторону обратной реакции). Результатом смещения равновесия является переход системы в новое равновесное состояние с другим соотношением концентраций реагирующих веществ.

Направление смещения равновесия определяется принципом, который был сформулирован французским ученым Ле-Шателье (1884 г):

Если на равновесную систему оказывается внешнее воздействие, то равновесие смещается в сторону той реакции (прямой или обратной), которая противодействует этому воздействию.

Важнейшими внешними факторами, которые могут приводить к смещению химического равновесия, являются:

а) концентрации реагирующих веществ;

б) температура;

В) давление.

Влияние концентрации реагирующих веществ

Если в равновесную систему вводится какое-либо из участвующих в реакции веществ, то равновесие смещается в сторону той реакции, при протекании которой данное вещество расходуется. Если из равновесной системы выводится какое-либо вещество, то равновесие смещается в сторону той реакции, при протекании которой данное вещество образуется.

Например, рассмотрим, какие вещества следует вводить и какие вещества выводить из равновесной системы для смещения обратимой реакции синтеза аммиака вправо:

Для смещения равновесия вправо (в сторону прямой реакции образования аммиака) необходимо в равновесную смесь вводить азоти водород (т. е. увеличивать их концентрации) и выводить из равновесной смеси аммиак (т. е. уменьшать его концентрацию).

Влияние температуры

Прямая и обратная реакции имеют противоположные тепловые эффекты: если прямая реакция экзотермическая, то обратная реакция эндотермическая (и наоборот). При нагревании системы (т. е. повышении ее температуры) равновесие смещается в сторону эндотермической реакции; при охлаждении (понижении температуры) равновесие смещается в сторону экзотермической реакции.

Например, реакция синтеза аммиака является экзотермической: N₂(г) + 3H₂(г) → 2NH₃(г) + 92кДж, а реакция разложения аммиака (обратная реакция) является эндотермической: 2NH₃(г)→ N₂(г) + 3H₂(г) — 92кДж. Поэтому повышение температуры смещает равновесие в сторону обратной реакции разложения аммиака.

Влияние давления

Давление влияет на равновесие реакций, в которых принимают участие газообразные вещества. Если внешнее давление повышается, то равновесие смещается в сторону той реакции, при протекании которой число молекул газа уменьшается. И наоборот, равновесие смещается в сторону образования большего числа газообразных молекул при понижении внешнего давления. Если реакция протекает без изменения числа молекул газообразных веществ, то давление не влияет на равновесие в данной системе.

Например, для увеличения выхода аммиака (смещение вправо) необходимо повышать давление в системе обратимой реакции , так как при протекании прямой реакции число газообразных молекул уменьшается (из четырех молекул газов азота и водорода образуются две молекулы газа аммиака).

Сертификат и скидка на обучение каждому участнику

Тема : Химическое равновесие.

Цель: Актуализировать знания о химическом равновесии и условиях при котором оно смещается.

1. Кинетическое и термодинамическое описание химического равновесия.

2. Смещение химического равновесия (принцип Ле - Шателье).

3. Равновесия в биологических средах.

1.Обратимыми химическими реакциями называются химические реакции и физико-химические процессы, самопроизвольно протекающие как в прямом, так и в обратном направлении. Уравнение гипотетической обратимой реакции может быть представлено схемой:

аА + bВ сС +dD

Ниже приведены примеры некоторых обратимых реакций:

N₂ + 3 H₂ 2 NH₃

NH₄Cl + H₂O NH₄OH + HCl

Hb + O₂ HbO₂

Пределом протекания обратимых процессов является состояние химического равновесия. Химическое равновесие — это такое состояние обратимого процесса, в котором скорость прямой и обратной реакций равны между собой (рисунок 3).

Рисунок 3. Изменение скорости прямой и

обратной реакций в ходе обратимого процесса

Признаком химического равновесия является постоянство во времени концентрации всех веществ, участвующих в процессе (рисунок 4). Концентрации веществ в состоянии химического равновесия называются равновесными: [Ā], моль/л.

Рисунок 4 — Кинетические кривые

обратимой реакции аА bВ

Кинетическое описание химического равновесия основано на законе действующих масс: скорость реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ (Гульдберг-Вааге,1884).

Согласно закону действующих масс, скорости прямой и обратной реакций равны:

где υ_пр — скорость прямой реакции,

υ_обр — скорость обратной реакции,

k_пр — константа скорости прямой реакции,

k_обр — константа скорости обратной реакции.

В состоянии равновесия υ_пр = υ_обр, следовательно можно записать, что

Отношение констант скорости является постоянной величиной, обозначаемой K_c:

где K_с – концентрационная константа равновесия.

Таким образом, закон действующих масс для обратимой реакции записывается так:

Например, для биохимической реакции окисления гемоглобина в оксигемоглобин

Hb + O₂ HbO₂

константа химического равновесия равна:

Если в химической реакции участвуют газообразные, жидкие и твердые вещества, то для расчета Кс используют только равновесные концентрации газов.

Например, синтез кристаллической мочевины из углекислого газа и аммиака описывается уравнением:

CO₂ (г) + 2 NH₃ (г) H₂O (г) + CO(NH₂)₂ (к).

В равновесии участвуют как газообразные, так и твердые вещества, но концентрацию кристаллической мочевины при составлении уравнения для K_c не учитывают:

Если К >> 1, то равновесие смещено вправо, (υ_пр > υ_обр); если К

В основе термодинамического описания обратимого процесса лежит уравнение изотермы химической реакции:

где Δ G– это изменение свободной энергии Гиббса в ходе процесса, а Δ G o – стандартное изменение свободной энергии.

В состоянии химического равновесия Δ G = 0, а концентрации веществ А, В, С и D являются равновесными. Соответственно

Δ G o = - RT ln K.

Таким образом, K зависит только от температуры и природы реагирующих веществ.

2. Смещение химического равновесия (принцип Ле- Шателье)

Состояние химического равновесия является наиболее энергетически выгодным состоянием обратимого процесса, так как характеризуется минимальным запасом внутренней энергии системы (G min) (рисунок 5).

Рисунок 5 — Энергетическая диаграмма

обратимой реакции

Таким образом, любой обратимый процесс стремится к равновесию. В 1884 г. французский физико-химик и металлург Ле -Шателье сформулировал общий закон смещения химического равновесия.

Этот принцип позволяет предсказать качественные изменения в равновесной системе при изменении условий.

Частные случаи принципа Ле- Шателье:

1) Повышение температуры смещает равновесие в сторону эндотермической, а понижение температуры — в сторону экзотермической реакции.

Рассмотрим влияние температуры на равновесие обратимой биохимической реакции

Hb + O₂ HbO₂, Δ_rН = – 10 кДж.

При повышении температуры равновесие смешается влево (кровь отдает кислород тканям), при понижении температуры равновесие смещается вправо (кровь обогащается кислородом).

2) При повышении давления равновесие смещается в сторону меньшего количества газообразных веществ, а при понижении давления — в сторону их большего количества. Изменение давления не влияет на смещение химического равновесия, если: (а) в реакции не участвуют газы; (б) реакция протекает без изменения количества газообразных веществ. Например,

N₂ + O₂ 2NO.

Используя данный принцип, можно рассмотреть влияние давления на равновесие обратимой реакции окисления гемоглобина в оксигемоглобин.

Венозная кровь поступает в легкие, где испытывает повышенное давление кислорода О₂. В результате равновесие смещается вправо (кровь насыщается кислородом). Артериальная кровь, поступающая в ткани, оказывается при пониженном давлении кислорода, в результате чего равновесие смещается влево (кровь отдает кислород тканям).

3) При увеличении концентрации вещества, участвующего в обратимом превращении, равновесие смещается в сторону той реакции, которая протекает с убылью этого вещества (и наоборот).

Например, при увеличении содержания гемоглобина в крови равновесие смещается вправо (ткани обогащаются кислородом). При недостатке гемоглобина (анемия) равновесие смещается влево (больной страдает от кислородной недостаточности).

3. Равновесие в биологических средах

Важнейшей биологической средой является вода. Описание процессов, протекающих в водных растворах, возможно с позиций теории химического равновесия. Многие процессы, играющие важную роль в метаболизме живых организмов, связаны с обратимым переносом протонов (протолитические равновесия).

К важнейшим протолитическим равновесиям относится диссоциация воды, протекающая по уравнению:

H₂O H + + OH -

Вода – очень слабый электролит; при комнатной температуре из 5 млн. молекул воды только одна молекула диссоциирует на ионы. Поскольку молярная концентрация молекул воды значительно превышает молярную концентрацию ионов ([H₂O]>> [H+]) , то можно считать, что концентрация молекул воды является величиной постоянной ([H₂O] = const). Применив закон действующих масс, напишем выражение для концентрационной константы равновесия рассматриваемого процесса:

Умножив левую и правую части уравнения на [H₂O], получим уравнение

K_w — ионное произведение воды; эта величина является константой равновесия, описывающей обратимую диссоциацию воды. При стандартной температуре (t = 25 o C) К_w = [H + ][OH - ] = 10 -14 .

Для воды и водных растворов:

Не менее важным является протолитическое равновесие, устанавливающееся при диссоциации слабых кислот и оснований.

Уксусная кислота является слабым электролитом. Ее диссоциация протекает обратимо по уравнению:

CH₃COOH CH₃COO - + H +

Константа равновесия, описывающая данный обратимый процесс обозначается K_a и называется константой кислотности:

Аммоний гидроксид является слабым электролитом. Его диссоциация протекает обратимо по уравнению:

NH₄OH NH₄ + + OH -

Константа равновесия, описывающая данный обратимый процесс обозначается K_b и называется константой основности:

Чем больше К_а и K_b, тем сильнее диссоциируют кислоты и основания в водных растворах.

К протолитическим равновесиям, играющим важную биологическую роль, относятся реакции гидролитического разложения веществ. Гидролиз солей — это реакция ионного обмена между составными частями соли и воды, протекающая с изменением кислотности раствора. Гидролизу подвергаются растворимые соли, в состав которых входят катионы слабых оснований или анионы слабых кислот.

Контрольные вопросы :

1.Какие химические реакции называют обратимыми?

2.Что произойдет, если на систему, находящуюся в равновесии оказать внешнее воздействие?

3.В какую сторону сместиться равновесие при повышении температуры и давления?

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:

NaOΗ + ΗCl NaCl + Η₂O

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 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 v₁ = v₂, 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:

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 N₂ или Η₂, то равновесие сместится в прямом направлении, а если аммиака — то в обратном.

Читайте также: