Химическое равновесие. 
Общая химия

Изучив содержание главы 10, студенты должны:

знать

• • сущность обратимости химических реакций;
• • свойства химического равновесия;
• • закон действующих масс для химического равновесия;
• • принцип смещения химического равновесия Ле Шателье;

уметь

• • применять таблицы констант равновесия для определения направления реакции в конкретных условиях;
• • вычислять константы равновесия сложных процессов;
• • определять направление смещения химического равновесия при изменении условий;

владеть

• навыками выявления обратимых реакций и расчета характеристик состояния равновесия конкретных реакций.

Обратимость химических реакций

Одним из принципиально важных свойств химических реакций является обратимость, т. е. способность протекать одновременно в прямом (слева направо) и обратном (справа налево) направлениях. Смесь веществ, в которой идет химическая реакция, содержит как исходные вещества, так и продукты реакции. Поэтому можно предположить, что превращению подвергаются не только частицы (молекулы и ионы) взятых реагентов. Появившиеся в смеси частицы продуктов, сталкиваясь между собой, снова могут образовать исходные вещества. Так оно и происходит во многих типах химических реакций. Для того чтобы подчеркнуть обратимый характер реакции, между правой и левой частями уравнения вместо знака равенства ставят специальный знак обратимости:

Реакции, протекающие в соответствии с уравнением одновременно в прямом и обратном направлениях, называются обратимыми.

Говоря о направлении обратимой реакции, имеют в виду наблюдаемый результат: количества каких веществ увеличиваются и каких уменьшаются.

При постоянстве всех количеств вещества в обратимой реакции достигнуто состояние равновесия.

Понятие «обратимая реакция» не совпадает с понятием «обратимый процесс». Обратимость той или иной химической реакции представляет собой существенную характеристику реакции, не зависящую от конкретной системы, в которой она идет. Обратимый процесс протекает в специальных условиях, о которых говорилось выше (с. 185). Поэтому обратимая реакция может протекать в одних условиях как обратимый процесс, в других — как необратимый.

Обратимость химических реакций — очень распространенное явление. Трудность может представлять доказательство того, что реакция действительно необратима, так как определение очень малого количества исходных веществ после окончания реакции оказывается сложной задачей. К необратимым реакциям относится, в частности, горение большинства веществ. Например, реакция горения пропана.

необратима, так как образование пропана и кислорода из углекислого газа и воды крайне маловероятно.

Можно представить себе следующий опыт (рис. 10.1). Смешивают раствор 3 г (0,05 моль) уксусной кислоты СН₃СООН с добавленным в него лакмусом с раствором 2 г (0,05 моль) NaOH. Пусть общий объем раствора составляет 50 мл. Индикатор окрашивается в нем в синий цвет. Это означает, что раствор после нейтрализации оказался щелочным, в то время как можно было ожидать, что он станет нейтральным, поскольку взяты стехиометрические количества веществ для реакции.

Рис. 10.1. Нейтрализация уксусной кислоты.

Результат опыта означает, что реакция нейтрализации не дошла до конца, в растворе остались не вступившие в реакцию вещества. В данном случае их количество равно 0,0015% от исходного. Наступило состояние химического равновесия. Гидроксид натрия определяет характер среды, так как это сильное основание, а уксусная кислота слабая. Если же провести аналогичный опыт, заменив СН₃СООН на сильную кислоту НС1, то получается нейтральный раствор с розово-фиолетовой окраской лакмуса. Однако установлено, что и эта реакция обратима, но только равные остаточные количества сильных основания и кислоты не вызывают отклонения реакции среды от нейтральной.

Реакция считается практически обратимой, если после ее окончания концентрация реагентов составляет более 0,001 (0,1%) от исходной величины.

Нейтрализация сильной кислоты сильным основанием относится к практически необратимым реакциям, но в принципе она обратима.

Почему химическая реакция может остановиться, не дойдя до конца, и какие количества не прореагировавших веществ могут оставаться в разных случаях — вот главные вопросы, касающиеся химического равновесия. Ответ на них дает химическая термодинамика.