Kuidas muutub keemiline tasakaal süsteemis. Keemiline tasakaal, tasakaalu nihe

Siis saame:

Selle võrrandi lahendamisel leiame: x 1 \u003d 3 ja x 2 \u003d 1,25. Aga x 1 = 3 ei rahulda ülesande tingimust.
Seetõttu \u003d 1,25 + 1 \u003d 2,25 mol / l.

12.1. Millises järgnevatest reaktsioonidest nihutab rõhu tõus tasakaalu paremale? Põhjenda vastust.

1) 2NH 3 (d) 3 H2 (d) + N 2 (g)

2) ZnCO 3 (c) ZnO (c) + CO 2 (g)

3) 2HBr (g) H2 (g) + Br 2 (w)

4) CO2 (d) + C (grafiit) 2CO (g)

12.2.Teatud temperatuuril tasakaalukontsentratsioonid süsteemis

2HBr (g) H2 (g) + Br 2 (g)

Kõik keemilised reaktsioonid on põhimõtteliselt pöörduvad.
See tähendab, et reaktsioonisegus toimub nii reagentide kui ka saaduste vastastikmõju. Selles mõttes on reagentide ja toodete eristamine meelevaldne. Keemilise reaktsiooni suund määratakse selle läbiviimise tingimustega (temperatuur, rõhk, ainete kontsentratsioon).
Paljudel reaktsioonidel on üks eelistatud suund ja et sellised reaktsioonid toimuksid vastupidises suunas, äärmuslikud tingimused. Sellistes reaktsioonides toimub reagentide peaaegu täielik muundamine toodeteks.

Näide. Raud ja väävel mõõduka kuumutamisega reageerivad üksteisega, moodustades raud(II)sulfiidi, FeS on sellistes tingimustes stabiilne ega lagune praktiliselt rauaks ja väävliks:

Temperatuuril 200 atm ja temperatuuril 400 °C saavutatakse NH3 maksimaalne sisaldus, mis on võrdne 36% (mahu järgi) reaktsioonisegus. Temperatuuri edasise tõusuga pöördreaktsiooni suurenenud voolu tõttu väheneb ammoniaagi mahuosa segus.
Edasi- ja tagasireaktsioon kulgevad samaaegselt vastassuundades.

Kõigis pöörduvates reaktsioonides edasisuunalise reaktsiooni kiirus väheneb ja pöördreaktsiooni kiirus suureneb, kuni mõlemad kiirused muutuvad võrdseks ja tekib tasakaaluseisund.

Tasakaaluseisundis muutuvad edasi- ja tagasireaktsiooni kiirused võrdseks.

LE CHATELIERI PÕHIMÕTE. KEEMILISE TASAKAALUKORDA NIHE.

Keemilise tasakaalu asend sõltub järgmistest reaktsiooniparameetritest: temperatuur, rõhk ja kontsentratsioon. Nende tegurite mõju keemilisele reaktsioonile järgib mustrit, milles väljendati üldine vaade aastal 1884 prantsuse teadlase Le Chatelier' poolt. Le Chatelier' põhimõtte kaasaegne sõnastus on järgmine:

1. Temperatuuri mõju. Igas pöörduvas reaktsioonis vastab üks suundadest eksotermilisele protsessile ja teine ​​endotermilisele protsessile.

2. Surve mõju. Kõigis gaasilisi aineid hõlmavates reaktsioonides, millega kaasneb ruumala muutus, mis on tingitud aine koguse muutumisest lähteainetelt toodetele liikumisel, mõjutab rõhk süsteemis tasakaaluasendit.
Rõhu mõju tasakaaluasendile järgib järgmisi reegleid:

Seega vähenes lähteainetelt toodetele üleminekul gaaside maht poole võrra. See tähendab, et rõhu tõusuga nihkub tasakaal NH3 moodustumise suunas, mida tõendavad järgmised andmed ammoniaagi sünteesi reaktsiooni kohta temperatuuril 400 0C:

3. Kontsentratsiooni mõju. Kontsentratsiooni mõju tasakaaluseisundile järgib järgmisi reegleid:

Keemiline tasakaal on omane pööratav reaktsioonid ja ei ole tüüpiline pöördumatu keemilised reaktsioonid.

Sageli tehes keemiline protsess, lähevad algsed reagendid täielikult reaktsiooniproduktideks. Näiteks:

Cu + 4HNO 3 \u003d Cu (NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

Metallist vaske on võimatu saada vastupidises suunas toimuva reaktsiooni läbiviimisel, kuna. antud reaktsioon on pöördumatu. Sellistes protsessides muudetakse reagendid täielikult toodeteks, s.t. reaktsioon kulgeb lõpuni.

Kuid enamik keemilisi reaktsioone pööratav, st. ilmselt paralleelreaktsioon otseses ja vastupidised suunad. Teisisõnu muudetakse reagendid ainult osaliselt toodeteks ja reaktsioonisüsteem koosneb nii reagentidest kui ka toodetest. Süsteem sees sel juhul on olekus keemiline tasakaal.

Pööratavates protsessides on alguses otsene reaktsioon tippkiirus, mis reaktiivide hulga vähenemise tõttu järk-järgult väheneb. Vastupidisel reaktsioonil on algselt minimaalne kiirus, mis suureneb, kui tooted kogunevad. Lõpuks saabub hetk, mil mõlema reaktsiooni kiirused muutuvad võrdseks – süsteem jõuab tasakaaluolekusse. Tasakaaluseisundi saavutamisel jäävad komponentide kontsentratsioonid muutumatuks, kuid keemiline reaktsioon ei peatu. See. See on dünaamiline (liikuv) olek. Selguse huvides esitame järgmise joonise:

Oletame, et neid on pöörduv keemiline reaktsioon:

a A + b B = c C + d D

siis vastavalt seadusele tegutsevad massid, kirjutame avaldised jaoks sirgeυ 1 ja tagurpidiυ 2 reaktsiooni:

υ1 = k 1 [A] a [B] b

υ2 = k 2 [C] c [D] d

Seisundis keemiline tasakaal, on edasi- ja tagasireaktsiooni kiirused võrdsed, st:

k 1 [A] a [B] b = k 2 [C] c [D] d

saame

To= k1 / k 2 = [C] c [D] d ̸ [A] a [B] b

Kus K =k 1 / k 2 – tasakaalukonstant.

Kellelegi pöörduv protsess, etteantud tingimustel k on konstantne väärtus. See ei sõltu ainete kontsentratsioonist, kuna kui ühe aine kogus muutub, muutuvad ka teiste komponentide kogused.

Kui keemilise protsessi kulgemise tingimused muutuvad, on tasakaalu nihe võimalik.

Tasakaalu muutumist mõjutavad tegurid:

• reagentide või toodete kontsentratsiooni muutus,
• rõhu muutus,
• temperatuuri muutus,
• katalüsaatori sisestamine reaktsioonikeskkonda.

Le Chatelier’ põhimõte

Kõik ülaltoodud tegurid mõjutavad keemilise tasakaalu nihet, millele allub Le Chatelier põhimõte: kui muudate üht süsteemi tasakaalutingimustest – kontsentratsiooni, rõhku või temperatuuri –, siis tasakaal nihkub reaktsiooni suunas, mis sellele muutusele vastu mõjub. Need. tasakaal kaldub nihkuma suunas, mis viib tasakaaluseisundi rikkumiseni viinud löögi mõju vähenemiseni.

Seega vaatleme eraldi iga nende teguri mõju tasakaaluseisundile.

Mõjutamine muutused reaktiivi või toote kontsentratsioonis näitame näitega Haberi protsess:

N2 (g) + 3H2 (g) \u003d 2NH3 (g)

Kui näiteks lämmastikku lisada tasakaalusüsteemi, mis koosneb N 2 (g), H 2 (g) ja NH 3 (g), siis peaks tasakaal nihkuma selles suunas, mis aitaks kaasa lämmastiku koguse vähenemisele. vesinik selle algväärtuse suunas, need. täiendava koguse ammoniaagi moodustumise suunas (paremal). Samal ajal väheneb ka vesiniku hulk. Kui süsteemi lisatakse vesinikku, nihkub tasakaal ka uue ammoniaagikoguse moodustumise suunas (paremale). Kusjuures ammoniaagi sisseviimine tasakaalusüsteemi vastavalt Le Chatelier põhimõte , põhjustab tasakaalu nihke lähteainete tekkeks soodsa protsessi suunas (vasakule), s.t. ammoniaagi kontsentratsiooni tuleks vähendada, lagundades osa sellest lämmastikuks ja vesinikuks.

Ühe komponendi kontsentratsiooni vähenemine nihutab süsteemi tasakaaluolekut selle komponendi moodustumise suunas.

Mõjutamine rõhu muutused on mõttekas, kui uuritavas protsessis osalevad gaasilised komponendid ja sel juhul toimub molekulide koguarvu muutus. Kui koguarv molekulid jäävad süsteemi püsiv, siis rõhu muutus ei mõjuta selle tasakaalu kohta, näiteks:

I 2 (g) + H 2 (g) \u003d 2HI (g)

Kui tasakaalusüsteemi kogurõhku suurendada selle ruumala vähendamisega, siis tasakaal nihkub ruumala vähenemise suunas. Need. arvu vähenemise suunas gaas süsteemis. Reaktsioonina:

N2 (g) + 3H2 (g) \u003d 2NH3 (g)

4 gaasimolekulist (1 N 2 (g) ja 3 H 2 (g)) tekib 2 gaasimolekuli (2 NH 3 (g)), s.o. rõhk süsteemis väheneb. Selle tulemusena aitab rõhu tõus kaasa täiendava koguse ammoniaagi moodustumisele, s.o. tasakaal nihkub selle kujunemise suunas (paremale).

Kui süsteemi temperatuur on konstantne, siis süsteemi kogurõhu muutus ei too kaasa tasakaalukonstandi muutust TO.

Temperatuuri muutus süsteem ei mõjuta mitte ainult selle tasakaalu nihet, vaid ka tasakaalukonstanti TO. Kui tasakaalusüsteemile konstantsel rõhul antakse lisasoojust, nihkub tasakaal soojuse neeldumise suunas. Kaaluge:

N 2 (g) + 3H 2 (g) \u003d 2NH3 (g) + 22 kcal

Niisiis, nagu näete, toimub edasine reaktsioon soojuse vabanemisega ja vastupidine reaktsioon neeldumisega. Temperatuuri tõustes nihkub selle reaktsiooni tasakaal ammoniaagi lagunemisreaktsiooni suunas (vasakule), sest see on ja nõrgendab välismõju - temperatuuri tõusu. Vastupidi, jahutamine viib tasakaalu nihkeni ammoniaagi sünteesi suunas (paremale), kuna reaktsioon on eksotermiline ja talub jahutamist.

Seega soodustab temperatuuri tõus nihet keemiline tasakaal endotermilise reaktsiooni suunas ja temperatuuri langus eksotermilise protsessi suunas . Tasakaalukostandid kõik eksotermilised protsessid temperatuuri tõusuga langevad ja endotermilised protsessid suurenevad.

Jõudnud keemilise tasakaalu olekusse, jääb süsteem sellesse seni, kuni välistingimused muutuvad. See toob kaasa süsteemi parameetrite muutumise, s.t. keemilise tasakaalu nihkele ühe reaktsiooni suunas. Sest kvalitatiivne määratlus tasakaalu nihke suund keemilises reaktsioonis on Le Chatelier-Browni põhimõte:

Kui tasakaalus olevale süsteemile avaldatakse välist mõju, s.t. muutke tingimusi, milles süsteem oli tasakaalus, siis hakkavad protsessid süsteemis voolama kiiremini, vähendades mõju.

Keemilise tasakaalu seisundit mõjutavad kõige enam kontsentratsioon, rõhk, temperatuur.

Nagu reaktsiooni kiiruskonstandi avaldisest näha, põhjustab algainete N ja M kontsentratsioonide suurenemine otsese reaktsiooni kiiruse suurenemist. Väidetavalt on tasakaal nihkunud edasisuunalise reaktsiooni suunas. Vastupidi, toodete kontsentratsiooni suurenemine nihutab tasakaalu pöördreaktsiooni suunas.

Kui tasakaalusegus kogurõhk muutub, muutuvad kõigi reaktsioonis osalejate osarõhud sama numberüks kord. Kui reaktsioonis gaasimoolide arv ei muutu, nagu näiteks reaktsioonis H2 + Cl2 - 2 HCl, siis jääb segu koostis tasakaalu ja tasakaal ei nihku. Kui gaasimoolide arv reaktsioonis muutub, siis muutub gaasisegu koostis rõhumuutuse tagajärjel tasakaalutuks ja üks reaktsioon hakkab kulgema kiiremini. Tasakaalu nihke suund sõltub sel juhul sellest, kas gaasimoolide arv on suurenenud või vähenenud.

Mõelge näiteks reaktsioonile

N2 + 3 H2 - 2 NH3

Kõik selles reaktsioonis osalejad on gaasid. Laske tasakaalusegus kogurõhku suurendada (segu suruti kokku). Tasakaal on häiritud, süsteemis peaksid algama protsessid, mis viivad rõhu languseni. Kuid rõhk on võrdeline molekulide seintele löökide arvuga, st. molekulide arv. Reaktsioonivõrrandist on näha, et otsereaktsiooni tulemusena väheneb gaasimolekulide arv 4 mol-lt 2 mol-le ja pöördreaktsiooni tulemusena suureneb see vastavalt. Seetõttu toimub kogurõhu langus, kui tasakaal nihkub otsese reaktsiooni suunas. Üldrõhu vähenemisega selles süsteemis nihkub tasakaal pöördreaktsiooni suunas, mis toob kaasa gaasimolekulide arvu suurenemise, s.t. rõhu tõusule.

AT üldine juhtumüldrõhu tõusuga nihkub tasakaal reaktsiooni suunas, mis viib gaasimolekulide arvu vähenemiseni ja rõhu langusega reaktsiooni suunas, mille käigus gaasimolekulide arv suureneb. .

Tasakaalu nihke suuna määramiseks süsteemi temperatuuri muutumisega on vaja teada reaktsiooni termilist efekti, s.o. kas reaktsioon on eksotermiline või endotermiline. Tuleb meeles pidada, et eksotermilise reaktsiooni käigus eraldub soojust ja temperatuur tõuseb. Endotermilise reaktsiooni käigus langeb temperatuur soojuse neeldumise tõttu. Seetõttu nihkub tasakaal temperatuuri tõustes alati endotermilise reaktsiooni suunas ja langedes nihkub alati eksotermilise reaktsiooni suunas. Näiteks süsteemis, kus toimub pöörduv reaktsioon

1. Kõigist teadaolevatest reaktsioonidest eristatakse pöörduvaid ja pöördumatuid reaktsioone. Ioonivahetusreaktsioonide uurimisel loetleti tingimused, mille korral need lõppevad. ().

Samuti on teada reaktsioone, mis antud tingimustes ei lõpe. Näiteks kui vääveldioksiid lahustatakse vees, toimub reaktsioon: SO 2 + H 2 O→ H2SO3. Kuid tuleb välja, et sisse vesilahus võib tekkida vaid teatud kogus väävelhapet. See on tingitud asjaolust, et väävelhape on habras ja toimub vastupidine reaktsioon, s.t. lagunemine vääveloksiidiks ja veeks. Seetõttu ei lõpe see reaktsioon lõpuni, kuna kaks reaktsiooni toimuvad samaaegselt - sirge(vääveloksiidi ja vee vahel) ja tagurpidi(väävelhappe lagunemine). SO2 + H2O↔H2SO3.

Keemilisi reaktsioone, mis toimuvad antud tingimustes vastastikku vastassuunas, nimetatakse pöörduvateks.

2. Kuna keemiliste reaktsioonide kiirus sõltub reagentide kontsentratsioonist, siis algul otsereaktsiooni kiirus ( υ pr) peab olema maksimum ja kiirus selja reaktsioon ( υ arr) võrdub nulliga. Reagentide kontsentratsioon aja jooksul väheneb ja reaktsioonisaaduste kontsentratsioon suureneb. Seetõttu edasisuunalise reaktsiooni kiirus väheneb ja vastupidise reaktsiooni kiirus suureneb. Teatud ajahetkel muutuvad edasi- ja tagasireaktsiooni kiirused võrdseks:

Kõigis pöörduvates reaktsioonides edasisuunalise reaktsiooni kiirus väheneb, pöördreaktsiooni kiirus suureneb, kuni mõlemad kiirused muutuvad võrdseks ja tekib tasakaaluseisund:

υ pr =υ arr

Süsteemi olekut, milles edasisuunalise reaktsiooni kiirus on võrdne pöördreaktsiooni kiirusega, nimetatakse keemiliseks tasakaaluks.

Keemilise tasakaalu seisundis jääb reageerivate ainete ja reaktsioonisaaduste kvantitatiivne suhe muutumatuks: mitu reaktsiooniprodukti molekuli moodustub ajaühikus, nii palju neist laguneb. Kuid keemilise tasakaalu seisund säilib seni, kuni reaktsioonitingimused jäävad muutumatuks: kontsentratsioon, temperatuur ja rõhk.

Kvantitatiivselt kirjeldatakse keemilise tasakaalu seisundit massilise tegevuse seadus.

Tasakaaluseisundis on reaktsioonisaaduste kontsentratsioonide (nende koefitsientide astmetes) korrutise suhe reagentide kontsentratsioonide korrutisesse (ka nende koefitsientide astmetes) konstantne väärtus, mis ei sõltu algkontsentratsioonidest. ainete sisaldust reaktsioonisegus.

See konstantne helistas tasakaalukonstant - k

Seega reaktsiooni jaoks: N 2 (G) + 3 H 2 (G) ↔ 2 NH 3 (D) + 92,4 kJ, väljendatakse tasakaalukonstant järgmiselt:

υ 1 =υ 2

υ 1 (otsene reaktsioon) = k 1 [ N 2 ][ H 2 ] 3 , kus– molaarsed tasakaalukontsentratsioonid, = mol/l

υ 2 (vastupidine reaktsioon) = k 2 [ NH 3 ] 2

k 1 [ N 2 ][ H 2 ] 3 = k 2 [ NH 3 ] 2

Kp = k 1 / k 2 = [ NH 3 ] 2 / [ N 2 ][ H 2 ] 3 – tasakaalukonstant.

Keemiline tasakaal sõltub kontsentratsioonist, rõhust, temperatuurist.

Põhimõtemäärab tasakaalulise segamise suuna:

Kui süsteemile, mis on tasakaalus, avaldati väline mõju, nihkub tasakaal süsteemis sellele mõjule vastupidises suunas.

1) Kontsentratsiooni mõju - kui lähteainete kontsentratsiooni suurendada, siis tasakaal nihkub reaktsioonisaaduste tekke suunas.

Näiteks,Kp = k 1 / k 2 = [ NH 3 ] 2 / [ N 2 ][ H 2 ] 3

Reaktsioonisegule lisamisel näiteks lämmastik, st. reaktiivi kontsentratsioon suureneb, K avaldises olev nimetaja suureneb, kuid kuna K on konstant, peab selle tingimuse täitmiseks ka lugeja suurenema. Seega suureneb reaktsioonisaaduse kogus reaktsioonisegus. Sel juhul räägime keemilise tasakaalu nihkest paremale, toote poole.

Seega nihkub reagentide (vedelate või gaasiliste) kontsentratsiooni suurenemine toodete poole, s.t. otsese reaktsiooni suunas. Toodete (vedelate või gaasiliste) kontsentratsiooni suurenemine nihutab tasakaalu reagentide suunas, s.t. tagumise reaktsiooni suunas.

Massimuutus tahke ei muuda tasakaaluasendit.

2) Temperatuuri mõju Temperatuuri tõus nihutab tasakaalu endotermilise reaktsiooni suunas.

a)N 2 (D) + 3H 2 (G) ↔ 2NH 3 (D) + 92,4 kJ (eksotermiline – soojuseraldus)

Temperatuuri tõustes nihkub tasakaal ammoniaagi lagunemisreaktsiooni suunas (←)

b)N 2 (D) +O 2 (G) ↔ 2EI(G) – 180,8 kJ (endotermiline – soojusneeldumine)

Temperatuuri tõustes nihkub tasakaal moodustumise reaktsiooni suunas EI (→)

3) Rõhu mõju (ainult gaasiliste ainete puhul) - rõhu suurenemisel nihkub tasakaal moodustise poolei ained, mis hõivavad vähem umbes rütm.

N 2 (D) + 3H 2 (G) ↔ 2NH 3 (G)

1 V - N 2

3 V - H 2

2 V – NH 3

Kui rõhk tõuseb ( P): enne reaktsiooni4 V gaasilised ained → pärast reaktsiooni2 Vgaasilised ained, mistõttu tasakaal nihkub paremale ( → )

Rõhu suurenemisega näiteks 2 korda väheneb gaaside maht sama palju kordi ja seetõttu suurenevad kõigi gaasiliste ainete kontsentratsioonid 2 korda. Kp = k 1 / k 2 = [ NH 3 ] 2 / [ N 2 ][ H 2 ] 3

Sel juhul suureneb K avaldise lugeja 4 võrra korda ja nimetaja on 16 korda, s.o. võrdsus rikutakse. Selle taastamiseks peab kontsentratsioon suurenema ammoniaakja vähendada kontsentratsiooni lämmastikjavesilahke. Tasakaal nihkub paremale.

Seega, kui rõhk suureneb, nihkub tasakaal ruumala vähenemise suunas ja rõhu vähenemisel nihkub see mahu suurenemise suunas.

Rõhu muutus praktiliselt ei mõjuta tahkete ja vedelate ainete mahtu, s.t. ei muuda nende kontsentratsiooni. Järelikult on reaktsioonide tasakaal, milles gaasid ei osale, rõhust praktiliselt sõltumatu.

! Ained, mis mõjutavad keemilise reaktsiooni kulgu katalüsaatorid. Kuid katalüsaatori kasutamisel väheneb nii edasi- kui ka vastupidise reaktsiooni aktiveerimisenergia sama palju ja seetõttu tasakaal ei muutu.

Probleeme lahendama:

nr 1. CO ja O 2 algkontsentratsioonid pöörduvas reaktsioonis

2CO (g) + O 2 (g) ↔ 2 CO 2 (g)

Võrdub vastavalt 6 ja 4 mol/L. Arvutage tasakaalukonstant, kui CO 2 kontsentratsioon tasakaaluhetkel on 2 mol/L.

nr 2. Reaktsioon kulgeb vastavalt võrrandile

2SO 2 (g) + O 2 (g) \u003d 2SO 3 (g) + Q

Märkige, kuhu tasakaal nihkub, kui

a) suurendage rõhku

b) tõsta temperatuuri

c) suurendada hapniku kontsentratsiooni

d) katalüsaatori kasutuselevõtt?