Химическое равновесие

Боль­шин­ство хи­ми­че­ских ре­ак­ций об­ра­ти­мы, т. е. про­те­ка­ют од­но­вре­мен­но в про­ти­во­по­лож­ных на­прав­ле­ни­ях. В тех слу­ча­ях, когда пря­мая и об­рат­ная ре­ак­ция идут с оди­на­ко­вой ско­ро­стью, на­сту­па­ет хи­ми­че­ское рав­но­ве­сие.

При на­ступ­ле­нии хи­ми­че­ско­го рав­но­ве­сия число мо­ле­кул ве­ществ, со­став­ля­ю­щих си­сте­му, пе­ре­ста­ет ме­нять­ся и оста­ет­ся по­сто­ян­ным во вре­ме­ни при неиз­мен­ных внеш­них усло­ви­ях.

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

На­при­мер, рав­но­ве­сие ре­ак­ции H_2(г) + I_2(г)⇆ 2HI _(г) на­сту­па­ет тогда, когда в еди­ни­цу вре­ме­ни об­ра­зу­ет­ся по пря­мой ре­ак­ции ровно столь­ко же мо­ле­кул йо­до­во­до­ро­да, сколь­ко их рас­па­да­ет­ся по об­рат­ной ре­ак­ции на йод и во­до­род.

Спо­соб­ность ре­ак­ции про­те­кать в про­ти­во­по­лож­ных на­прав­ле­ни­ях на­зы­ва­ет­ся ки­не­ти­че­ской об­ра­ти­мо­стью.

В урав­не­нии ре­ак­ции об­ра­ти­мость обо­зна­ча­ет­ся двумя про­ти­во­по­лож­ны­ми стрел­ка­ми (⇆) вме­сто знака ра­вен­ства между левой и пра­вой ча­стя­ми хи­ми­че­ско­го урав­не­ния.

Хи­ми­че­ское рав­но­ве­сие яв­ля­ет­ся ди­на­ми­че­ским (по­движ­ным). При из­ме­не­нии внеш­них усло­вий рав­но­ве­сие сдви­га­ет­ся и воз­вра­ща­ет­ся в ис­ход­ное со­сто­я­ние, если внеш­ние усло­вия при­об­ре­та­ют по­сто­ян­ные зна­че­ния. Вли­я­ние на хи­ми­че­ское рав­но­ве­сие внеш­них фак­то­ров вы­зы­ва­ет его сме­ще­ние.

Влияние факторов на смещение химического равновесия

По­ло­же­ние хи­ми­че­ско­го рав­но­ве­сия за­ви­сит от сле­ду­ю­щих па­ра­мет­ров ре­ак­ции:

- тем­пе­ра­ту­ры;

- дав­ле­ния;

- кон­цен­тра­ции.

Вли­я­ние, ко­то­рое ока­зы­ва­ют эти фак­то­ры на хи­ми­че­скую ре­ак­цию, под­чи­ня­ет­ся за­ко­но­мер­но­сти, ко­то­рая была вы­ска­за­на в общем виде в 1884 году фран­цуз­ским уче­ным Ле-Ша­те­лье (Рис. 1).

Рис. 1. Анри Луи Ле Ша­те­лье

Со­вре­мен­ная фор­му­ли­ров­ка прин­ци­па Ле-Ша­те­лье

Если на си­сте­му, на­хо­дя­щу­ю­ся в рав­но­ве­сии, ока­зы­ва­ет­ся внеш­нее воз­дей­ствие, то рав­но­ве­сие сме­ща­ет­ся в ту сто­ро­ну, ко­то­рая ослаб­ля­ет дан­ное воз­дей­ствие.

1. Вли­я­ние тем­пе­ра­ту­ры

В каж­дой об­ра­ти­мой ре­ак­ции одно из на­прав­ле­ний от­ве­ча­ет эк­зо­тер­ми­че­ско­му про­цес­су, а дру­гое – эн­до­тер­ми­че­ско­му.

При­мер: про­мыш­лен­ное про­из­вод­ство ам­ми­а­ка. Рис. 2.

Рис. 2. Уста­нов­ка для про­из­вод­ства ам­ми­а­ка

Ре­ак­ция син­те­за ам­ми­а­ка:

N₂+ 3H₂ ⇆ 2NH₃+ Q

Пря­мая ре­ак­ция – эк­зо­тер­ми­че­ская, а об­рат­ная ре­ак­ция – эн­до­тер­ми­че­ская.

Вли­я­ние из­ме­не­ния тем­пе­ра­ту­ры на по­ло­же­ние хи­ми­че­ско­го рав­но­ве­сия под­чи­ня­ет­ся сле­ду­ю­щим пра­ви­лам.

При по­вы­ше­нии тем­пе­ра­ту­ры хи­ми­че­ское рав­но­ве­сие сме­ща­ет­ся в на­прав­ле­нии эн­до­тер­ми­че­ской ре­ак­ции, при по­ни­же­нии тем­пе­ра­ту­ры – в на­прав­ле­нии эк­зо­тер­ми­че­ской ре­ак­ции.

Чтобы сме­стить рав­но­ве­сие в сто­ро­ну по­лу­че­ния ам­ми­а­ка, тем­пе­ра­ту­ру нужно по­ни­зить.

2. Вли­я­ние дав­ле­ния

Во всех ре­ак­ци­ях с уча­сти­ем га­зо­об­раз­ных ве­ществ, со­про­вож­да­ю­щих­ся из­ме­не­ни­ем объ­е­ма за счет из­ме­не­ния ко­ли­че­ства ве­ще­ства при пе­ре­хо­де от ис­ход­ных ве­ществ к про­дук­там, на по­ло­же­ние рав­но­ве­сия вли­я­ет дав­ле­ние в си­сте­ме.

Вли­я­ние дав­ле­ния на по­ло­же­ние рав­но­ве­сия под­чи­ня­ет­ся сле­ду­ю­щим пра­ви­лам.

При по­вы­ше­нии дав­ле­ния рав­но­ве­сие сдви­га­ет­ся в на­прав­ле­нии об­ра­зо­ва­ния ве­ществ (ис­ход­ных или про­дук­тов) с мень­шим объ­е­мом; при по­ни­же­нии дав­ле­ния рав­но­ве­сие сдви­га­ет­ся в на­прав­ле­нии об­ра­зо­ва­ния ве­ществ с боль­шим объ­е­мом.

В ре­ак­ции син­те­за ам­ми­а­ка при по­вы­ше­нии дав­ле­ния рав­но­ве­сие сме­ща­ет­ся в сто­ро­ну об­ра­зо­ва­ния ам­ми­а­ка, по­то­му что ре­ак­ция идет с умень­ше­ни­ем объ­ё­ма.

3. Вли­я­ние кон­цен­тра­ции

Вли­я­ние кон­цен­тра­ции на со­сто­я­ние рав­но­ве­сия под­чи­ня­ет­ся сле­ду­ю­щим пра­ви­лам.

При по­вы­ше­нии кон­цен­тра­ции од­но­го из ис­ход­ных ве­ществ рав­но­ве­сие сдви­га­ет­ся в на­прав­ле­нии об­ра­зо­ва­ния про­дук­тов ре­ак­ции; при по­вы­ше­нии кон­цен­тра­ции од­но­го из про­дук­тов ре­ак­ции рав­но­ве­сие сдви­га­ет­ся в на­прав­ле­нии об­ра­зо­ва­ния ис­ход­ных ве­ществ.

В ре­ак­ции по­лу­че­ния ам­ми­а­ка, чтобы сме­стить рав­но­ве­сие в сто­ро­ну по­лу­че­ния ам­ми­а­ка, необ­хо­ди­мо по­вы­сить кон­цен­тра­цию во­до­ро­да и азота.

Под­ве­де­ние итога

Вы узна­ли о по­ня­тии «хи­ми­че­ское рав­но­ве­сие» и спо­со­бах его сме­ще­ния, какие усло­вия вли­я­ют на сме­ще­ние хи­ми­че­ско­го рав­но­ве­сия и как дей­ству­ет «прин­цип Ле Ша­те­лье».