Все химические реакции можно разделить на обратимые и необратимые. К обратимым относятся такие реакции, которые при определенной температуре с заметной скоростью протекают в двух противоположных направлениях - прямом и обратном. Обратимые реакции протекают не до конца, ни одно из реагирующих веществ не расходуется полностью. Примером может служить реакция
В определенной области температуры данная реакция обратима. Знак « » является знаком обратимости.
Необратимые реакции - это такие реакции, которые протекают только в одном направлении до конца, т.е. до полного расходования одного из реагирующих веществ. Примером необратимой реакции может служить реакция разложения хлората калия:
Образование хлората калия из хлорида калия и кислорода в обычных условиях невозможно.
Состояние химического равновесия. Константа химического равновесия
Запишем уравнение некоторой обратимой реакции в общем виде:
К моменту начала реакции концентрации исходных веществ А и В были максимальными. В ходе реакции они расходуются, и их концентрация уменьшается. При этом в соответствии с законом действующих масс скорость прямой реакции
будет уменьшаться. (Здесь и далее стрелка наверху обозначает направление процесса.) В начальный момент концентрации продуктов реакции D и Е были равны нулю. В ходе реакции они увеличиваются, скорость обратной реакции возрастает от нуля согласно уравнению:
На рис. 4.5 представлено изменение скоростей прямой и обратной
реакции во времени. По истечении времени т эти скорости сравня- -»
Рис. 4.5. Изменение скорости прямой (1) и обратной (2) реакции во времени: - в отсутствие катализатора: ..........- при наличии катализатора
Такое состояние называется химическим равновесием. Химическое равновесие является наиболее устойчивым, предельным состоянием самопроизвольного протекания процессов. Оно может продолжаться сколь угодно долго, если не изменять внешних условий. В изолированных системах в состоянии равновесия энтропия системы достигает максимума и остается постоянной, т.е. dS = 0. В изобарно-изотермических условиях движущая сила процесса, энергия Гиббса, при равновесии принимает минимальное значение и далее не изменяется, т.е. dG = 0.
Концентрации участников реакции в состоянии равновесия называются равновесными. Как правило, их обозначают формулами соответствующих веществ, заключенных в квадратные скобки, например равновесная концентрация аммиака обозначается в отличие от исходной, неравновесной концентрации C^ NH ^.
Поскольку скорости прямого и обратного процессов в состоянии равновесия равны, приравняем и правые части уравнений (4.44) и
- -^ i -
- (4.45), заменив обозначение концентраций: А: [А]"”[В]" = ?[D] /; =1 атм). Смесь, состоящую из 1 моль СО и 5 моль H2O нагрели до этой температуры. Рассчитайте мольную долю воды в равновесной смеси.
4 вариант
1 . Опишите метод определения величины константы равновесия посредством прямого измерения парциального давления.
2. Имеется смесь газообразных веществ А и В, которые могут вступать в химическую реакцию с образованием продукта реакции С, согласно стехиометрическому уравнению 0,5 А + В = С. В начальный момент времени продукта реакции в системе нет, а исходные вещества взяты в стехиометрических количествах. После установления равновесия в равновесной смеси содержится число молей продукта С, равное 0,3, а общее давление равно 1,5 атм. Найти константу равновесия в p-шкале.
3 .Константа равновесия реакции N2O4(г) = 2NO2(г) при 25 о С равна 0,143 ([p]=1 атм). Рассчитайте давление, которое установится в сосуде объемом 1 л, содержащем 1 г N2O4 при этой температуре.
5 вариант
1 . Как можно определить величину константы равновесия реакции, не прибегая к эксперименту.
2. Имеется смесь газообразных веществ А и В, которые могут вступать в химическую реакцию с образованием продукта реакции С, согласно стехиометрическому уравнению 0,5 А + 3В = С. В начальный момент времени продукта реакции в системе нет, а исходные вещества взяты в стехиометрических количествах. После установления равновесия в равновесной смеси содержится число молей продукта С, равное 0,3, а общее давление равно 2 атм. Найти константу равновесия в p-шкале.
3 . Сосуд объемом 3 л, содержащий 1,79·10 -2 моль I2 , нагрели до 973 К. Давление в сосуде при равновесии оказалось равно 0,49 атм. Считая газы идеальными, рассчитайте константу равновесия при 973 К для реакции
I2(г) = 2I (г).
6 вариант
1. Использования уравнения изобары реакции для определения величины константы химического равновесия при неизученной ранее температуре.
2. Имеется смесь газообразных веществ А и В, которые могут вступать в химическую реакцию с образованием продукта реакции С, согласно стехиометрическому уравнению 3А + В = С. В начальный момент времени продукта реакции в системе нет, а исходные вещества взяты в стехиометрических количествах. После установления равновесия в равновесной смеси содержится число молей продукта С, равное 0,4, а общее давление равно 2 атм. Найти константу равновесия в p-шкале.
3 . Для реакции PCl5(г) =РСl3(г) +Сl2(г) при 250 оС стандартное мольное изменение энергии Гиббса = - 2508 Дж/моль. При каком общем давлении степень превращения PCl5 в РСl3 и Сl2 составит при 250 оС 30 %?
7 вариант
1. Система, в которой протекает эндотермическая газофазная реакция реакция A+3B=2C находится в равновесии при 400 К и 5 атм. Если газы идеальные, то, как повлияет на выход продукта добавление инертного газа при постоянном объеме?
2. Имеется смесь газообразных веществ А и В, которые могут вступать в химическую реакцию с образованием продукта реакции С, согласно стехиометрическому уравнению 2А + В = 2С. В начальный момент времени продукта реакции в системе нет, а исходные вещества взяты в стехиометрических количествах. После установления равновесия в равновесной смеси содержится число молей продукта С, равное 0,3, а общее давление равно 2 атм. Найти константу равновесия в p-шкале.
3 . Для реакции 2HI(г) = H2 +I2(г) константа равновесия Kp = 0,0183 ([p]=1 атм) при 698,6 К. Сколько граммов HI образуется при нагревании до этой температуры 10 г I2 и 0,2 г H2 в трехлитровом сосуде? Чему равны парциальные давления H2, I2 и HI?
8 вариант
1. Система, в которой протекает эндотермическая газофазная реакция реакция A+3B=2C находится в равновесии при 400 К и 5 атм. Если газы идеальные, то, как повлияет на выход продукта повышение температуры?
2. Имеется смесь газообразных веществ А и В, которые могут вступать в химическую реакцию с образованием продукта реакции С, согласно стехиометрическому уравнению 0,5А + 2В = 2С. В начальный момент времени продукта реакции в системе нет, а исходные вещества взяты в стехиометрических количествах. После установления равновесия в равновесной смеси содержится число молей продукта С, равное 0,3, а общее давление равно 2 атм. Найти константу равновесия в p-шкале.
3 . Сосуд объемом 1 л, содержащий 0,341 моль PCl5 и 0,233 моль N2 нагрели до 250 оС. Общее давление в сосуде при равновесии оказалось равно 29,33 атм. Считая все газы идеальными, рассчитайте константу равновесия при 250 оС для протекающей в сосуде реакции PCl5(г) =РСl3(г) +Сl2(г).
9 вариант
1 . Система, в которой протекает эндотермическая газофазная реакция реакция A+3B=2C находится в равновесии при 400 К и 5 атм. Если газы идеальные, то, как повлияет на выход продукта повышение давления?
2. Имеется смесь газообразных веществ А и В, которые могут вступать в химическую реакцию с образованием продукта реакции С, согласно стехиометрическому уравнению 0,5А + В = 2С. В начальный момент времени продукта реакции в системе нет, а исходные вещества взяты в стехиометрических количествах. После установления равновесия в равновесной смеси содержится число молей продукта С, равное 0,5, а общее давление равно 2 атм. Найти константу равновесия в p-шкале.
3 . Константа равновесия реакции CO(г) + 2H2 = СH3OH(г) при 500 К равна Kr = 0,00609 ([p]=1 атм). Рассчитайте общее давление, необходимое для получения метанола с 90 % выходом, если CO и H2 взяты в соотношении 1:2.
10 вариант
1. Опишите метод определения констант равновесия путем измерения парциального давления.
2. Имеется смесь газообразных веществ А и В, которые могут вступать в химическую реакцию с образованием продукта реакции С, согласно стехиометрическому уравнению 0,5А + 1,5В = 2С. В начальный момент времени продукта реакции в системе нет, а исходные вещества взяты в стехиометрических количествах. После установления равновесия в равновесной смеси содержится число молей продукта С, равное 0,4, а общее давление равно 2 атм. Найти константу равновесия в p-шкале.
3 . Равновесие в реакции 2NOCl (г)=2NO(г)+Cl2(г) устанавливается при 227 оС и общем давлении 1,0 бар, когда парциальное давление NOCl равно 0,64 бар (изначально присутствовал только NOCl) . Рассчитайте этой реакции при данной температуре.
11 вариант
1 . Опишите химические методы определения констант равновесия.
2. Имеется смесь газообразных веществ А и В, которые могут вступать в химическую реакцию с образованием продукта реакции С, согласно стехиометрическому уравнению 2А + 0,5В = 2С. В начальный момент времени продукта реакции в системе нет, а исходные вещества взяты в стехиометрических количествах. После установления равновесия в равновесной смеси содержится число молей продукта С, равное 0,2, а общее давление равно 2 атм. Найти константу равновесия в p-шкале.
3 . Рассчитайте общее давление, которое необходимо приложить к смеси 3 частей H2 и 1 части N2 , чтобы получить равновесную смесь, содержащую 10 объемных % NH3 при 400 оС.
Константа равновесия для реакции N2(г) + 3 H2(г)= 2NH3(г) при 400 оС
и выражении давления в атм равна 1,6·10-4 .
12 вариант
1 . Система, в которой протекает эндотермическая газофазная реакция реакция A+3B=2C находится в равновесии при 400 К и 5 атм. Если газы идеальные, то, как повлияет на выход продукта понижение давления?
2. Имеется смесь газообразных веществ А и В, которые могут вступать в химическую реакцию с образованием продукта реакции С, согласно стехиометрическому уравнению 2А + В = 0,5С. В начальный момент времени продукта реакции в системе нет, а исходные вещества взяты в стехиометрических количествах. После установления равновесия в равновесной смеси содержится число молей продукта С, равное 0,4, а общее давление равно 2 атм. Найти константу равновесия в p-шкале.
3 . При 250 оС и общем давлении 1 атм PCl5 диссоциирован на 80 % по реакции PCl5(г) =РСl3(г) +Сl2(г). Чему будет равна степень диссоциации PCl5, если в систему добавить азот, чтобы парциальное давлении азота было равным 0,9 атм? Общее давление поддерживается равным 1 атм.
13 вариант
1 . Система, в которой протекает экзотермическая реакция
CO(г) + 2H2 = СH3OH(г) находится в равновесии при 500 К и 10 бар.
Если газы идеальные, то как повлияет на выход метанола понижение давления?
2. Имеется смесь газообразных веществ А и В, которые могут вступать в химическую реакцию с образованием продукта реакции С, согласно стехиометрическому уравнению 1,5А + 3В = 2С. В начальный момент времени продукта реакции в системе нет, а исходные вещества взяты в стехиометрических количествах. После установления равновесия в равновесной смеси содержится число молей продукта С, равное 0,5, а общее давление равно 2 атм. Найти константу равновесия в p-шкале.
3 . Константа равновесия реакции CO(г) + 2H2 = СH3OH(г) при 500 К равна 6,09 ×10 5 ([ р] = 1 атм). Реакционная смесь, состоящая из 1 моль СО,
2 моль H2 и 1 моль инертного газа (азота) нагрета до 500 К и общего давления 100 атм. Рассчитайте состав реакционной смеси.
14 вариант
1 . Опишите метод определения констант равновесия по электрохимическим данным.
2. Имеется смесь газообразных веществ А и В, которые могут вступать в химическую реакцию с образованием продукта реакции С, согласно стехиометрическому уравнению 2А + 0,5В = С. В начальный момент времени продукта реакции в системе нет, а исходные вещества взяты в стехиометрических количествах. После установления равновесия в равновесной смеси содержится число молей продукта С, равное 0,4, а общее давление равно 2 атм. Найти константу равновесия в p-шкале.
3. Для реакции N2(г) + 3 H2(г)= 2NH3(г) при 298 К константа равновесия при выражении давления в атм равна 6,0 ×10 5, а стандартная мольная энтальпия образования аммиака равна = - 46,1 кДж/моль. Найти значение константы равновесия при 500 К.
15 вариант
1 . Система, с экзотермической реакцией CO(г) + 2H2 = СH3OH(г) находится в равновесии при 500 К и 10 бар. Если газы идеальные, то, как повлияет на выход метанола понижение температуры.
2. Имеется смесь газообразных веществ А и В, которые могут вступать в химическую реакцию с образованием продукта реакции С, согласно стехиометрическому уравнению 2А + В = 1,5С. В начальный момент времени продукта реакции в системе нет, а исходные вещества взяты в стехиометрических количествах. После установления равновесия в равновесной смеси содержится число молей продукта С, равное 0,5, а общее давление равно 2 атм. Найти константу равновесия в p-шкале.
3. Константа равновесия реакции N2(г) + 3 H2(г)= 2NH3(г) при 400 оС и выражении давления в атм равна 1,6·10-4 . Какое общее давление необходимо приложить к эквимолярной смеси азота и водорода, чтобы 10 % азота превратилось в аммиак? Газы считать идеальными.
В отчет по лабораторной работе представляется целесообразным включить следующие разделы: введение, часть 1, часть 2, выводы.
1. Во введении можно кратко изложить теоретические сведения по одному из далее перечисленных вопросов: либо о законе действующих масс, истории его открытия и об его авторах; либо об основных понятиях и определительных соотношениях раздела «Химическое равновесие»; либо вывести закон химического равновесия в современной его формулировке; либо рассказать о факторах, влияющих на величину константы равновесия и т. д.
Закончить раздел «Введение» следует изложением целей работы.
В части 1 необходимо
2.1. Привести схему установки для определения упругости диссоциации карбонатов металлов и описать ход опыта.
2.2 . Привести результаты расчета константы равновесия по приведенным опытным данным
2.3. Привести расчет константы равновесия по термодинамическим данным
В части 2 необходимо
3.1 . Привести полный обоснованный ответ на вопрос 1 задания 2.
3.2 . Привести решение задач 2 и 3 задания 2. Условие задач нужно записать в символьном обозначении.
В выводах целесообразно отразить выполнение поставленных в работе целей, а также сравнить величины константы равновесия, вычисленные в 2.2 и 2.3.
Библиографический список
1. Карякин химической термодинамики: Учеб. пособие для вузов. М.: Академия., 20с.
2. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур. М.: Мир, 20с.
3. , Черепанов по физической химии. Методическое пособие. Екатеринбург: изд-во УрГУ, 2003.
4. Краткий справочник физико-химических величин /Под ред. и. Л.: Химия, 20с.
5. Задачи по физической химии: учебн. пособие для вузов / , и др. М.: Экзамен, 20с.
Компьютерная верстка
В некоторых случаях надо знать не только направление окислительно-восстановительной реакции, но и насколько полно она протекает. Так, например, в количественном анализе можно опираться только на те реакции, которые практически протекают на 100% (или приближаются к этому).
Степень протекания реакции слева направо определяется константой равновесия. Для реакции
согласно закону действия масс, можно записать:
где К - константа равновесия, показывающая, каково соотношение между концентрациями ионов и при равновесии.
Константу равновесия определяют следующим образом. В уравнение (3) (стр. 152) подставляют значения нормальных потенциалов пар и и находят:
При равновесии = или
Константа равновесия показывает, что цинк вытесняет из ионы меди до тех пор, пока в растворе концентрация ионов не станет в раз меньше, чем концентрация ионов . Это значит, что рассматриваемая реакция практически идет до конца.
Если, например, концентрация в начале реакции равна 0,1 м, то при равновесии будет 0,1 - х в то время как концентрация будет х.
Решая уравнение концентрация при равновесии очень близка к 0,1 м.
Однако, если бы мы могли изменить соотношение взаимодействующих компонентов так, чтобы оно стало , т.е. или тогда реакция пошла бы справа налево (т. е. в обратном направлении).
Константа равновесия для любых окислительно-восстановительных процессов может быть вычислена, если известны окислительновосстановительные потенциалы частных реакций.
Константа равновесия связана с окислительно-восстановитель-ными потенциалами общей формулой:
где К - константа равновесия реакции; и нормальные потенциалы (окислителя и восстановителя); n - зарядность ионов (число электронов, отдаваемых восстановителем и принимаемых окислителем).
Из формулы (4) находим константу равновесия:
Зная константу равновесия, можно, не прибегая к опытным данным, рассчитать, насколько полно протекает реакция.
Так, например, в реакции
для пары =-0,126 в, для пары =-0,136 в.
Подставляя эти данные в уравнение (4), находим:
Число 2,21 означает, что равновесие в рассматриваемой реакции наступает тогда, когда концентрация ионов станет в 2,21 раза меньше концентрации ионов .
Концентрация ионов при равновесии в 2,21 раза больше концентрации ионов . Поэтому на 2,21 грамм-иона приходится 1 грамм-ион . Всего же в растворе содержится 3,21 грамм-иона (2,21+1). Таким образом, на 3,21 грамм-иона в растворе приходится 2,21 грамм-иона , а на 100 частей будет приходиться x частей .
Следовательно, данная реакция протекает обратимо. Вычислим константу равновесия для реакции:
Потенциал для пары =1,51 в, потенциал для пары =0,77 в. Подставив эти величины потенциалов в уравнение (4), находим:
Эта константа показывает, что равновесие наступает, когда произведение концентраций ионов в числителе (образующихся при реакции) станет в раза больше произведения концентраций ионов знаменателя (вступающих в реакцию).
Ясно, что данная реакция протекает практически необратимо (т. е. на 100% слева направо).
Для реакции
Расчет (аналогичный приведенному выше) показывает, что эта реакция протекает на .
Равновесие изменяется в зависимости от условий реакции.
Исключительное влияние на величину константы оказывает реакция среды. Так, например, реакция восстановления мышьяковой кислоты ионом иода в кислой среде протекает по уравнению:
Потенциал восстановления мышьяковой кислоты в щелочной среде значительно меньше. Поэтому в щелочной среде имеет место обратный процесс:
В нейтральной среде оба процесса можно было бы представить так:
однако так они не пойдут.
Процесс по первому уравнению не пойдет, потому что он связан с накоплением ионов , которые направляют процесс в обратную сторону; только при создании кислой среды, нейтрализующей гидроксид-ионы, он пойдет слева направо.
По второму уравнению процесс не пойдет, потому что он связан с накоплением ионов , которые следует нейтрализовать щелочью, если нужно, чтобы реакция шла слева направо.
Существует следующее правило для создания реакционной среды, необходимой для оптимального течения процесса:
Если в результате окислительно-восстановительной реакции накапливаются водородные или гидроксид-ионы, то для желаемого течения процесса необходимо создать такую среду, которая обладает противоположными свойствами: в случае накопления ионов среда должна быть щелочной, в случае же накопления ионов среда должна быть кислой.
Для реакции нужно брать такие компоненты, которые требуют одинаковой среды (кислой или щелочной). Если же в реакции одно вещество является восстановителем в кислой среде, а другое окислителем в щелочной, то может иметь место торможение процесса; в этом случае процесс дойдет до конца лишь при большой разнице потенциалов, т. е. при высокой константе реакции.
Константа равновесия позволяет предсказать возможность окисления, например, и азотной кислотой.
Найдем константу равновесия для реакции растворения в . хорошо растворяется в разбавленной . Константа равновесия для реакции:
может быть вычислена из уравнения:
Столь малая величина константы говорит о том, что равновесие этой реакции практически нацело сдвинуто справа налево, т. е. сульфид ртути в противоположность сульфиду меди практически не растворим в разбавленной .
Вернемся к процессу производства аммиака, выражающемуся уравнением:
N 2 (г) + 3H 2 (г) → 2NH 3 (г)
Находясь в закрытом объеме, азот и водород соединяются и образуют аммиак. До каких пор будет протекать этот процесс? Логично предположить, что до тех пор, пока какой-либо из реагентов не закончится. Однако, в реальной жизни это не совсем так. Дело в том, что через некоторое время после того, как началась реакция, образовавшийся аммиак станет разлагаться на азот и водород, т.е., начнется обратная реакция:
2NH 3 (г) → N 2 (г) + 3H 2 (г)
Фактически в закрытом объеме будут протекать сразу две, прямо противоположные друг другу, реакции. Поэтому, данный процесс записывается таким уравнением:
N 2 (г) + 3H 2 (г) ↔ 2NH 3 (г)
Двойная стрелка указывает на то, что реакция идет в двух направлениях. Реакция соединения азота и водорода называется прямой реакцией . Реакция разложения аммиака - обратной реакцией .
В самом начале процесса скорость прямой реакции очень велика. Но с течением времени концентрации реагентов уменьшаются, а количество аммиака возрастает - как следствие скорость прямой реакции уменьшается, а скорость обратной - возрастает. Наступает время, когда скорости прямой и обратной реакций сравниваются - наступает химическое равновесие или динамическое равновесие. При равновесии протекает как прямая, так и обратная реакции, но их скорости одинаковы, поэтому изменений не заметно.
Константа равновесия
Разные реакции протекают по-разному. В одних реакциях до момента наступления равновесия образуется довольно большое количество продуктов реакции; в других - гораздо меньше. Т.о., можно сказать, что конкретное уравнение имеет свою константу равновесия. Зная константу равновесия реакции, можно определить относительное количество реагентов и продуктов реакции, при котором наступает химическое равновесие.
Пусть некоторая реакция описывается уравнением: aA + bB = cC + dD
- a, b, c, d - коэффициенты уравнения реакции;
- A, B, C, D - химические формулы веществ.
Константа равновесия:
[C] c [D] d K = ———————— [A] a [B] b
Квадратные скобки показывают, что в формуле участвуют молярные концентрации веществ.
О чем говорит константа равновесия?
Для синтеза аммиака при комнатной температуре К=3,5·10 8 . Это довольно большое число, свидетельствующее о том, что химическое равновесие наступит когда концентрация аммиака будет намного больше оставшихся исходных веществ.
При реальном производстве аммиака задача технолога состоит в том, чтобы получить как можно бОльший коэффициент равновесия, т.е., чтобы прямая реакция прошла до конца. Каким образом этого можно добиться?
Принцип Ле Шателье
Принцип Ле Шателье гласит:
Как это понять? Все очень просто. Нарушить равновесие можно тремя способами:
- изменив концентрацию вещества;
- изменив температуру;
- изменив давление.
Когда реакция синтеза аммиака находится в равновесии, то это можно изобразить так (реакция экзотермическая):
N 2 (г) + 3H 2 (г) → 2NH 3 (г) + Теплота
Меняем концентрацию
Введем дополнительное количество азота в сбалансированную систему. При этом баланс нарушится:
Прямая реакция начнет протекать быстрее, поскольку количество азота увеличилось и он вступает в реакцию в большем количестве. Через некоторое время снова наступит химическое равновесие, но при этом концентрация азота будет больше, чем концентрация водрода:
Но, осуществить "перекос" системы в левую часть можно и другим способом - "облегчив" правую часть, например, отводить аммиак из системы по мере его образования. Т.о., снова будет преобладать прямая реакция образования аммиака.
Меняем температуру
Правую сторону наших "весов" можно изменять путем изменения температуры. Для того, чтобы левая часть "перевесила", необходимо "облегчить" правую часть - уменьшить температуру:
Меняем давление
Нарушить равновесие в системе при помощи давления можно только в реакциях с газами. Увеличить давление можно двумя способами:
- уменьшением объема системы;
- введением инертного газа.
При увеличении давления количество столкновений молекул возрастает. При этом повышается концентрация газов в системе и изменяются скорости прямой и обратной реакций - равновесие нарушается. Чтобы восстановить равновесие система "пытается" уменьшить давление.
Во время синтеза аммиака из 4-х молекул азота и водорода образуется две молекулы аммиака. В итоге количество молекул газов уменьшается - давление падает. Как следствие, чтобы придти к равновесию после увеличения давления, скорость прямой реакции возрастает.
Подведем итог. Согласно принципу Ле Шателье увеличить производство аммиака можно:
- увеличивая концентрацию реагентов;
- уменьшая концентрацию продуктов реакции;
- уменьшая температуру реакции;
- увеличивая давление при котором происходит реакция.
В 1885 году французским физиком и химиком Ле Шателье был выведен, а в 1887 году немецким физиком Брауном обоснован закон химического равновесия и константа химического равновесия, а также изучена их зависимость от влияния различных внешних факторов.
Суть химического равновесия
Равновесие - состояние, означающее, что вещи всегда движутся. Продукты разлагаются на реактивы, а реактивы объединяются в продукты. Вещи движутся, но концентрации остаются неизменными. Реакция записывается с двойной стрелкой вместо знака равенства, чтобы показать, что она обратима.
Классические закономерности
Еще в прошлом веке химиками были открыты определенные закономерности, которые предусматривают вероятность изменения направления реакции в одной и той же емкости. Знания о том, как протекают химические реакции, невероятно важны, как для лабораторных исследований, так и промышленного производства. При этом большое значение имеет возможность контролировать все эти явления. Человеку свойственно вмешиваться во многие природные процессы, в особенности это касается обратимых, чтобы потом использовать их себе на благо. От знаний о химических реакциях будет больше пользы, если в совершенстве владеть рычагами управления ими.
Закон действующих масс в химии использую химики, чтобы правильно рассчитывать скорости протекания реакций. Он дает четкое представление о том, что ни один не будет доведен до конца в случае, если он будет проходить в системе закрытого типа. Молекулы образующихся веществ находятся в постоянном и беспорядочном движении, и может вскоре возникнуть обратная реакция, при которой будут восстанавливаться молекулы исходного материала.
В промышленности чаще всего используют открытые системы. Сосуды, аппараты и другие емкости, где проходят химические реакции, остаются незапертыми. Это необходимо для того, чтобы во время этих процессов можно было извлечь нужный продукт и избавиться от бесполезных продуктов реакции. Например, уголь сжигается в открытых топках, цемент производится в печах открытого типа, домны функционируют при постоянной подаче воздуха, а аммиак синтезируется при непрерывном удалении самого аммиака.
Обратимые и необратимые химические реакции
Исходя из названия, можно дать соответствующие определения: необратимыми считаются реакции, доводимые до конца, не изменяющие своего направления и протекающие по заданной траектории вне зависимости от перепадов давления и температурных колебаний. Их отличительной особенностью является то, что некоторые продукты могут покидать сферу реакции. Таким образом, например, можно получить газ (CaCO 3 = CaO + CO 2), осадок (Cu(NO 3) 2 + H 2 S = CuS + 2HNO 3) или другие также будет считаться необратимой, если во время процесса выделяется большое количество тепловой энергии, например: 4P + 5O 2 = 2P 2 O 5 + Q.
Практически все реакции, которые происходят в природе, являются обратимыми. Независимо от таких внешних условий, как давление и температура, практически все процессы могут протекать одновременно в разных направлениях. Как гласит закон действующих масс в химии, количество поглощенной теплоты будет равно количеству выделенной, это значит, что если одна реакция была экзотермической, то вторая (обратная) буде эндотермической.
Химическое равновесие: константа химического равновесия
Реакции - это «глаголы» химии - деятельность, которую изучают химики. Многие реакции переходят к их завершению, а затем останавливаются, а это означает, что реагенты полностью преобразуются в продукты, не имея возможности вернуться в исходное состояние. В некоторых случаях реакция действительно необратима, например, когда сжигание изменяет как физические, так и химические Однако существует множество других обстоятельств, в которых является не только возможной, но и непрерывной, так как продукты первой реакции становятся реагентами во второй.
Динамическое состояние, в котором концентрации реагентов и продуктов остаются постоянными, называется равновесием. Можно предсказать поведение веществ с помощью определенных законов, которые применяются в отраслях, стремящихся снизить издержки производства конкретных химических веществ. Для понимания процессов, которые сохраняют или потенциально угрожают здоровью людей, также полезным является понятие химического равновесия. Константа химического равновесия представляет собой значение фактора реакции, которое зависит от ионной силы и температуры, и не зависит от концентраций реагентов и продуктов в растворе.
Вычисление константы равновесия
Эта величина является безразмерной, то есть не имеющей определенного количества единиц. Хотя расчет обычно записывается для двух реагентов и двух продуктов, он работает для любого количества участников реакции. Расчет и интерпретация константы равновесия зависят от того, связана ли химическая реакция с однородным или гетерогенным равновесием. Это значит, что все вступающие в реакцию компоненты могут быть чистыми жидкостями или газами. Для реакций, которые достигают гетерогенного равновесия, присутствует, как правило, не одна фаза, а как минимум две. Например, жидкости и газы или и жидкости.
Значение константы равновесия
Для любой заданной температуры для константы равновесия существует только одно значение, которое изменяется только в том случае, если температура, при которой происходит реакция, изменяется в ту или иную сторону. Можно сделать некоторые прогнозы относительно химической реакции, исходя из того, является ли постоянная равновесия большой или малой. Если значение очень велико, то равновесие благоприятствует реакции вправо и получается больше продуктов, чем было реагентов. Реакцию в этом случае можно назвать «полной» или «количественной».
Если значение константы равновесия невелико, то оно благоприятствует реакции влево, где количество реагентов было больше, чем образовавшихся продуктов. Если это значение стремится к нулю, можно считать, что реакция не возникает. Если же значения константы равновесия для прямой и обратной реакции почти одинаковы, то количество реагентов и продуктов будет тоже почти одинаковым. Этот тип реакции считается обратимым.
Рассмотрим конкретную обратимую реакцию
Возьмем таких два химических элемента, как йод и водород, которые при смешивании дают новое вещество - иодоводород.
За v 1 примем скорость прямой реакции, за v 2 - скорость обратной реакции, k - константа равновесия. Используя закон действия масс, получаем следующее выражение:
v 1 = k 1 * c(H 2) * c(I 2),
v 2 = k 2 * c 2 (HI).
При смешивании молекул йода (I 2) и водорода (H 2) начинается их взаимодействие. На начальном этапе концентрация этих элементов максимальная, а вот к концу реакции максимальной будет концентрация нового соединения - иодоводорода (HI). Соответственно, разными будут и скорости реакций. В самом начале они будут максимальными. Со временем наступает момент, когда эти значения будут равными, он и является состоянием, которое называется химическим равновесием.
Выражение константы химического равновесия, как правило, обозначают с применением квадратных скобок: , , . Так как при состоянии равновесия скорости равны, то:
k 1 = k 2 2 ,
так получаем уравнение константы химического равновесия:
k 1 /k 2 = 2 / = K.
Принцип Ле Шателье-Брауна
Существует следующая закономерность: если на систему, которая находится в равновесии, произвести определенное воздействие (изменить условия химического равновесия путем изменения температуры или давления, например), то баланс будет смещаться, чтобы частично противодействовать эффекту изменения. В дополнение к химии этот принцип также применим в несколько разных формах к областям фармакологии и экономики.
Константа химического равновесия и способы ее выражения
Равновесное выражение может быть выражено в терминах концентрации продуктов и реагентов. Только химические вещества в водной и газообразной фазах включены в равновесную формулу, поскольку концентрации жидкостей и твердых веществ не изменяются. Какие факторы влияют на химическое равновесие? Если в нем участвует чистая жидкость или твердое вещество, считается, что оно имеет К= 1, и соответственно перестает браться в расчет, за исключением высококонцентрированных растворов. Например, чистая вода имеет активность 1.
Другим примером является твердый углерод, который может образовываться реакцией двух молекул монооксида карбона с образованием углекислого газа и углерода. Факторы, которые могут повлиять на равновесие, включают в себя добавление реагента или продукта (изменение концентрации влияет на баланс). Добавление реагента может привести к равновесию справа в химическом уравнении, где появляется больше форм продукта. Добавление продукта может привести к равновесию слева, так как больше становится форм реагентов.
Равновесие возникает, когда реакция, проходящая в обоих направлениях, имеет неизменное соотношение продуктов и реагентов. В целом, химическое равновесие статично, так как количественное соотношение продуктов и реагентов постоянны. Однако более пристальный взгляд показывает, что равновесие на самом деле является очень динамичным процессом, так как реакция движется в обоих направлениях в равном темпе.
Динамическое равновесие является примером функции устойчивого состояния. Для системы в устойчивом состоянии наблюдаемое в настоящее время поведение продолжается и в будущем. Поэтому, как только реакция достигнет равновесия, отношение концентраций продукта и реагента останется таким же, хотя реакция продолжается.
Как просто рассказать о сложном?
Такие понятия, как химическое равновесие и константа химического равновесия, являются достаточно сложными для понимания. Возьмем пример из жизни. Вы когда-нибудь застревали на мосту между двумя городами и обращали внимание на то, что движение в другом направлении плавное и размеренное, в то время как вы безнадежно застряли в пробке? Это нехорошо.
Что, если бы машины размеренно и с одинаковой скоростью двигались с обеих сторон? Оставалось бы количество автомобилей в обоих городах постоянным? Когда скорость въезда и выезда в оба города одинакова, а количество автомобилей в каждом городе стабильно с течением времени, это означает, что весь процесс находится в динамическом равновесии.
Загрузка...