Химическое равновесие и его смещение

В природе большое значение имеют обратимые реакции (см. 3.3; п. 2.2). Эти процессы характеризуются состоянием химического равновесия.

Химическим равновесием называется такое состояние реагирующей системы, в котором скорости прямой и обратной реакций равны.

В состоянии химического равновесия число моль образовавшихся продуктов реакции равно числу моль этих веществ, превратившихся в исходные вещества за один и тот же промежуток времени.

Количественно состояние химического равновесия характеризуется константой равновесия Ар_авн.

Константа равновесия — отношение произведения молярных концентраций (парциальных давлений) продуктов реакции к произведению концентраций (парциальных давлений) исходных веществ в степенях, равных коэффициентам в уравнении химической реакции при данной температуре в состоянии химического равновесия.

Константа химического равновесия является результатом применения закона действующих масс, поэтому к ней применимы ограничения этого закона, т. е. в Ар_авн включают концентрации газообразных или растворенных веществ и условно считают, что процессы являются простыми (одностадийными) реакциями.

Для процесса получения угарного газа:

константа равновесия характеризуется формулой.

Для процесса синтеза карбоната кальция из оксидов при температуре 1200 °C (СаС0₃ СаО + С0₂).

В формулах (3.14) и (3.15) применены молярные концентрации реагентов, т. е. записаны выражения концентрационных констант К_с; если константу равновесия выражать через парциальные давления, то она обозначается К_р и называется константой по парциальным давлениям.

Необходимо отметить, что в состоянии химического равновесия процессы протекают постоянно, но практического выхода веществ нет, поэтому для получения нужного вещества возникает необходимость смещения равновесия.

Смещение равновесия — это ускорение либо прямой, либо обратной реакции при одновременном торможении обратной или прямой реакции соответственно.

Для смещения равновесия применяют принцип Ле Шателъе.

если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказать воздействие (увеличить температуру, уменьшить давление и т. д.), то в системе самопроизвольно усилится процесс, противодействующий оказанному воздействию.

(при увеличении температуры усиливается процесс, ее уменьшающий; при уменьшении давления — процесс, его увеличивающий, и т. д.).

При изменении давления равновесие смещается только тогда, когда число (моль) газа до и после реакции неодинаково, а при увеличении давления равновесие смещается в сторону образования меньшего числа (моль) газа (при уменьшении наоборот).

При увеличении температуры равновесие смещается в сторону эндотермического процесса (ДН> 0; Q_p < 0) (при уменьшении наоборот).

Увеличение концентрации продуктов реакции приводит к смешению равновесия в сторону уменьшения их концентрации (увеличится скорость образования исходных веществ, т. е. в сторону обратной реакции), а увеличение концентрации исходных веществ вызывает смещение в сторону обратной реакции (почему?) и т. д. Не рекомендуется применение выражений «сместит равновесие влево или вправо», так как в реакционной системе нет ни «лево» ни «право».

При рассмотрении заданий на смещение химического равновесия необходимо уметь анализировать изменение параметров системы при протекании прямой и обратной реакций без влияния извне. Так, в случае экзотермической прямой реакции температура будет увеличиваться, а при обратной реакции — уменьшаться. Если в результате прямой реакции число (моль) газа увеличивается, то и давление в системе будет увеличиваться (в результате обратной реакции все наоборот). Всегда в результате прямой реакции число моль исходных веществ уменьшается, а продуктов реакции — увеличивается (в обратных реакциях наоборот).

Характеризуя процесс смещения равновесия, необходимо давать развернутые ответы с обоснованиями на основе принципа Ле Шателье.

Пример 1. Объясните, куда и почему сместится равновесие в системе если в ней уменьшить температуру.

При уменьшении температуры в данной системе равновесие сместится в сторону обратной реакции, так как по принципу Ле Шателье самопроизвольно усилится процесс, ес повышающий, а им является образование СОС1₂ (обратная реакция).

• ? Задания для самостоятельной работы
• 1. Объясните, что такое химическое равновесие и что означает «сместить равновесие в сторону прямой реакции».
• 2. Охарактеризуйте изменение параметров в системе синтеза аммиака

при протекании прямой реакции.

3. Назовите и обоснуйте факторы, вызывающие смещение равновесия в сторону прямой реакции для системы:

• 4. Укажите, куда и почему сместится равновесие при увеличении давления в системе
• а) Н₂ + 1₂ (пар) <=* 2HI в) N₂0₄ <=* 2N0₂
• б) 2NO + 0₂ <=* 2N0₂ г) СОС1₂ <=" СО + С1₂
• 5. Поясните, куда и почему сместится равновесие в системе при уменьшении температуры:
  • а) 2Н1?=*1₂ + Н₂; АН>0 в) А + Б + С Д; АЖ О
  • б) С + С0₂ <=± 2СО; АН= 173 кДж г) СО + С1₂ *=± СОС1₂; ДЖО
• 6. Укажите, куда и почему смещается равновесие в системе

если в ней: а) увеличить концентрацию хлора; б) уменьшить концентрацию СОС1₂; в) увеличить концентрацию СО.

• 7. В системе синтеза аммиака скорость прямой реакции составляла 0,2 в отсутствие катализатора. В присутствии стимулятора скорость увеличилась в 100 раз. Рассчитайте ее. Ответ: 20.
• 8. Рассчитайте, как изменится скорость прямой и обратной реакций при синтезе аммиака, если объем системы увеличить в 2 раза. Ответ: и_пр увеличится в 16 раз; Utfр — в 4 раза.