Вопрос № 4. Химическое равновесие.

(20 мин.).

Обратимыми называются реакции, которые могут протекать как в прямом, так и в обратном направлении: А + В D С + D.

Особенность обратимых реакций состоит в том, что они не идут до конца, в системе всегда остается каждое из исходных веществ. Обратимых реакций очень много как в неорганической, так и в органической химии. Например,

3Н₂ + N₂ D 2NH₃

C₂H₄ + H₂O D C₂H₅OH

Для реакции в общем виде А + В D С + D

прямая реакция обратная реакция

Константы скоростей прямой и обратной реакции не равны.

 

Химическим равновесием называется такое состояние системы, при котором скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции: .

В этом случае

= , откуда

.

Для реакции в общем виде с учетом стехиометрических коэффициентов аА + bB ® cC + dD

.

 

Величина, равная отношению произведений равновесных концентраций продуктов реакции к произведению равновесных концентраций исходных веществ в степенях их стехиометрических коэффициентов, называется константой равновесия химической реакции К_равн.

.

Константа равновесия зависит только от температуры, и не зависит от концентрации веществ, от давления, наличия и отсутствия примесей.

 

Как и в случае выражения для скорости реакции в выражение для константы реакции входят концентрации только газообразных и жидких веществ, а твердые вещества не учитываются. Приведем несколько примеров.

 

Реакция	Выражение для Кравн
2SO2 + O2 D 2SO3
Fe3O4 (кр) + 4CO D 3Fe (кр) + 4CO2
Н2О D Н+ + ОН-

 

Величина К_равн показывает, насколько продвинулась реакция в прямом направлении, достигнув состояния равновесия. Чем больше численное значение константы равновесия, тем более полно протекает реакция, и тем больше концентрация продуктов реакции.

За возможность и глубину протекания процесса в термодинамике отвечает термодинамическая функция состояния – энергия Гиббса. Очевидно, что константа равновесия и энергия Гиббса должны быть связаны.

Математическая связь между константой равновесия и термодинамическими функциями состояния выражается зависимостью:

DG⁰ = - RT ln K_равн.

По величине DG можно вычислить K_равн, а затем и равновесные концентрации реагентов. Из уравнения непосредственно следует, что чем больше отрицательные значения DG, тем большее значение имеет К_равн, и в равновесной системе будут преобладать продукты реакции.

 

Факторы, влияющие на химическое равновесие.

Принцип Ле Шателье

 

Химическое равновесие, которое устанавливается при равенстве скоростей прямой и обратной реакции, отвечает значению DG_р,Т = 0 и является наиболее устойчивым состоянием системы при заданных условиях. Если изменяются условия, то равновесие нарушается и смещается в сторону прямой или обратной реакции. Через некоторое время система переходит в новое равновесное состояние с иными равновесными концентрациями.

Химическое равновесие является динамическим (подвижным). Изменение условий по-разному влияет на скорость прямой и обратной реакции. Если скорость прямой реакции становится больше скорости обратной, то равновесие смещается вправо. И наоборот, равновесие смещается в левую сторону, если преобладает скорость обратной реакции.

Направление смещения равновесия при изменении внешних условий (температуры, давления, объема, концентрации веществ, участвующих в реакции) определяется правилом, сформулированным в 1884 году французским химиком Анри-Луи Ле Шателье.

Это правило носит название принцип Ле Шателье:

 

Если на систему, находящуюся в равновесии, оказать какое-либо воздействие, то равновесие сместится в таком направлении, что оказанное воздействие будет ослаблено.

 

Принцип Ле Шателье применим к химическим равновесным процессам, а также к физическим процессам, не связанным с химическими превращениями (кипение, кристаллизация, растворение, адсорбция и т.п.).