Як зміститься хімічна рівновага у системі. Хімічне рівновагу. Зміщення рівноваги.

Тоді отримуємо:

Вирішуючи це рівняння, знаходимо: x 1 = 3 та x 2 = 1,25. Але x 1 = 3 не задовольняє умову задачі.
Отже, = 1,25 + 1 = 2,25 моль/л.

12.1. У якій із наведених реакцій підвищення тиску змістить рівновагу вправо? Відповідь обґрунтувати.

1) 2 NH 3 (г) 3 H 2 (г) + N 2 (г)

2) ZnCO 3 (к) ZnO (к) + CO 2 (г)

3) 2HBr (г) H 2 (г) + Br 2 (ж)

4) CO 2 (г) + C (графіт) 2CO (г)

12.2.При певній температурі рівноважні концентрації у системі

2HBr (г) H 2 (г) + Br 2 (г)

Усі хімічні реакції, в принципі, оборотні.
Це означає, що у реакційної суміші протікає як взаємодія реагентів, і взаємодія продуктів. У цьому сенсі різницю між реагентами і продуктами умовне. Напрямок протікання хімічної реакції визначається умовами її проведення (температурою, тиском, концентрацією речовин).
Багато реакцій мають один переважний напрямок і для проведення таких реакцій у протилежному напрямку потрібні екстремальні умови. У таких реакціях відбувається майже повне перетворення реагентів на продукти.

приклад. Залізо та сірка при помірному нагріванні реагують між собою з утворенням сульфіду заліза (II), FeS за таких умов стійкий і практично не розкладається на залізо та сірку:

При 200 атм і 400 0С досягається максимальний і рівний 36% (за обсягом) вміст NH3 реакційної суміші. При подальшому підвищенні температури внаслідок посиленого перебігу зворотної реакції об'ємна частка аміаку суміші зменшується.
Пряма та зворотна реакції протікають одночасно у протилежних напрямках.

У всіх оборотних реакціях швидкість прямої реакції зменшується, швидкість зворотної реакції зростає до тих пір, поки обидві швидкості не стануть рівними і не встановиться стан рівноваги.

У стані рівноваги швидкості прямої та зворотної реакції стають рівними.

ПРИНЦИП ЛЕ-ШАТЕЛЬЕ. ЗМІШЕННЯ ХІМІЧНОЇ РІВНОВАГИ.

Положення хімічної рівноваги залежить від наступних параметрів реакції: температури, тиску та концентрації. Вплив, який надають ці фактори на хімічну реакцію, підпорядковуються закономірності, яка була висловлена ​​в загальному вигляді 1884 року французьким ученим Ле-Шательє. Сучасне формулювання принципу Ле-Шательє таке:

1. Вплив температури. У кожній оборотній реакції один із напрямків відповідає екзотермічному процесу, а інший - ендотермічному.

2. Вплив тиску. У всіх реакціях за участю газоподібних речовин, що супроводжуються зміною об'єму за рахунок зміни кількості речовини при переході від вихідних речовин до продуктів, положення рівноваги впливає тиск в системі.
Вплив тиску положення рівноваги підпорядковується наступним правилам:

Таким чином, при переході від вихідних речовин до продуктів об'єм газів зменшився вдвічі. Отже, при підвищенні тиску рівновага зміщується у бік утворення NH3, про що свідчать такі дані для реакції синтезу аміаку при 400 0С:

3. Вплив концентрації. Вплив концентрації на стан рівноваги підпорядковується наступним правилам:

Хімічна рівновага властива оборотнимреакцій і не характерно для незворотниххімічні реакції.

Часто при здійсненні хімічного процесу, вихідні реагуючі речовини повністю переходять у продукти реакції Наприклад:

Cu + 4HNO 3 = Cu(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

Неможливо отримати металеву мідь, проводячи реакцію у напрямі, т.к. дана реакція необоротна. У таких процесах реагенти повністю перетворюються на продукти, тобто. реакція протікає остаточно.

Але основна частина хімічних реакцій оборотна, тобто. ймовірно паралельне перебіг реакції в прямому і зворотному напрямках. Інакше кажучи, реагенти лише частково переходять у продукти та реакційна системаскладатиметься як з реагентів, так і з продуктів. Система в даному випадкуперебуває у стані хімічної рівноваги

При оборотних процесах спочатку пряма реакція має максимальну швидкістьяка поступово знижується, у зв'язку зі зменшенням кількості реагентів. Зворотна реакція, навпаки, має мінімальну швидкість, яка збільшується в міру накопичення продуктів. Зрештою, настає момент, коли швидкості обох реакцій стають рівними – система входить у стан рівноваги. При настанні стану рівноваги концентрації компонентів залишаються незмінними, але хімічна реакція при цьому не припиняється. Т.о. - Це динамічний (рухливий) стан. Для наочності наведемо наступний малюнок:

Припустимо, протікає якась оборотна хімічна реакція:

а А + b В = С + D D

тоді, виходячи із закону діючих мас, запишемо вирази для прямийυ 1 і зворотнійυ 2 реакцій:

υ1 = k 1 · [A] a · [B] b

υ2 = k 2 · [C] c · [D] d

В стані хімічної рівноваги, Швидкості прямої і зворотної реакції рівні, тобто:

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

отримуємо

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

Де К =k 1 / k 2 – константа рівноваги.

Для будь-кого оборотного процесу, за заданих умов kє постійною величиною. Вона залежить від концентрацій речовин, т.к. при зміні кількості однієї речовини, кількості інших компонентів також змінюються.

При зміні умов протікання хімічного процесу можливе зміщення рівноваги.

Чинники, що впливають на зміщення рівноваги:

• зміна концентрацій реагентів або продуктів,
• зміна тиску,
• зміна температури,
• внесення каталізатора до реакційного середовища.

Принцип Ле-Шательє

Всі перераховані вище фактори впливають на зміщення хімічної рівноваги, яке підпорядковується принципом Ле-Шательє: якщо змінити одну з умов, за якої система перебуває в стані рівноваги – концентрацію, тиск чи температуру, то рівновага зміститься у напрямку тієї реакції, яка протидіє цій зміні.Тобто. рівновагу прагне зміщення у напрямі, що призводить до зменшення впливу впливу, що призвело до порушення стану рівноваги.

Отже, розглянемо окремо вплив кожного їх чинників стан рівноваги.

Вплив зміни концентрацій реагентів чи продуктів покажемо на прикладі процесу Габера:

N 2(г) + 3H 2(г) = 2NH 3(г)

Якщо рівноважну систему, що складається з N 2(г) , H 2(г) і NH 3(г) , додати, наприклад, азот, то рівновага повинна зміститися в напрямку, яке сприяло б зменшенню кількості водню у бік його вихідного значення, тобто. у напрямі утворення додаткової кількості аміаку (вправо). При цьому одночасно відбудеться зменшення кількості водню. При додаванні в систему водню також відбудеться зміщення рівноваги у бік утворення нової кількості аміаку (вправо). Тоді як внесення до рівноважної системи аміаку, згідно принципом Ле-Шательє , Викликає зміщення рівноваги в бік того процесу, який сприятливий для утворення вихідних речовин (ліворуч), тобто. концентрація аміаку повинна зменшитися за допомогою розкладання деякої кількості на азот і водень.

Зменшення концентрації одного з компонентів, змістить рівноважний стан системи у бік утворення цього компонента.

Вплив зміни тиску має сенс, якщо в досліджуваному процесі беруть участь газоподібні компоненти і при цьому зміна загальної кількості молекул. Якщо загальне числомолекул у системі залишається постійним, то зміна тиску не впливаєна її рівновагу, наприклад:

I 2(г) + H 2(г) = 2HI(г)

Якщо повний тиск рівноважної системи збільшувати шляхом зменшення її обсягу, то рівновага зміститься у бік зменшення обсягу. Тобто. у бік зменшення числа газув системі. У реакції:

N 2(г) + 3H 2(г) = 2NH 3(г)

з 4 молеул газу (1 N 2(г) та 3 H 2(г)) утворюється 2 молекули газу (2 NH 3(г)), тобто. тиск у системі зменшується. Внаслідок чого, зростання тиску сприятиме освіті додаткової кількості аміаку, тобто. рівновага зміститься у бік її освіти (вправо).

Якщо температура системи стала, то зміна повного тиску системи не призведе до зміни константи рівноваги До.

Зміна температури системи впливає як зміщення її рівноваги, а й у константу рівноваги До.Якщо рівноважній системі, при постійному тиску, повідомляти про додаткову теплоту, то рівновага зміститься у бік поглинання теплоти. Розглянемо:

N 2(г) + 3H 2(г) = 2NH 3(г) + 22 ккал

Отже, очевидно, пряма реакція протікає із теплоти, а зворотна – з поглинанням. При збільшенні температури, рівновага цієї реакції зміщується у бік реакції розкладання аміаку (ліворуч), т.к. вона є і послаблює зовнішній вплив - підвищення температури. Навпаки, охолодження призводить до усунення рівноваги у бік синтезу аміаку (вправо), т.к. реакція є екзотермічною та протидіє охолодженню.

Таким чином, зростання температури сприяє зміщенню хімічної рівновагиу бік ендотермічної реакції, а падіння температури – у напрямку екзотермічного процесу . Константи рівновагивсіх екзотермічних процесів при зростанні температури зменшуються, а ендотермічних – збільшуються.

Досягнувши стану хімічної рівноваги, система перебуватиме у ньому до того часу, поки зміниться зовнішні умови. Це спричинить зміну параметрів системи, тобто. до зсуву хімічної рівноваги у бік однієї з реакцій. Для якісного визначеннянапрями усунення рівноваги в хімічній реакції служить принцип Ле-Шательє - Брауна:

Якщо систему, що у рівновазі, надати зовнішній вплив, тобто. змінити умови, за яких система перебувала в рівновазі, то в системі з більшою швидкістю почнуть протікати процеси, ЗМЕНШУЮТЬ наданий вплив.

На стан хімічної рівноваги найбільше впливають концентрація, тиск, температура.

Як видно з виразу для константи швидкості реакції збільшення концентрацій вихідних речовин N і M призводить до зростання швидкості прямої реакції. Кажуть, що рівновага зрушила у бік прямої реакції. Навпаки, збільшення концентрацій продуктів зміщує рівновагу у бік перебігу зворотної реакції.

При зміні загального тиску в рівноважній суміші парціальний тиск всіх учасників реакції змінюються в однакове числоразів. Якщо реакції кількість моль газів не змінюється, як, наприклад, реакції H2 + Cl2 - 2 HCl, то склад суміші залишається рівноважним і рівновага не зміщується. Якщо ж кількість моль газів у реакції змінюється, то склад суміші газів у результаті зміни тиску стане нерівноважним і одна з реакцій почне протікати з більшою швидкістю. Напрямок зміщення рівноваги у разі залежить від цього, збільшилося чи зменшилося число моль газів.

Розглянемо, наприклад, реакцію

N2 + 3 H2 - 2 NH3

Усі учасники цієї реакції – гази. Нехай у рівноважній суміші збільшили загальний тиск (стиснули суміш). Рівновага порушиться, у системі мають початися процеси, які призведуть до зменшення тиску. Проте тиск пропорційно числу ударів молекул об стінки, тобто. числу молекул. З рівняння реакції видно, що в результаті протікання прямої реакції число молекул газів зменшується з 4 до 2 моль, а в результаті зворотної відповідно збільшується. Отже, зменшення загального тиску відбудеться, якщо рівновага зміститься у напрямі протікання прямої реакції. При зменшенні загального тиску у цій системі рівновага зміститься у бік перебігу зворотної реакції, що призводить до збільшення числа молекул газів, тобто. збільшення тиску.

У загальному випадкупри підвищенні загального тиску рівновага зміщується у бік реакції, що призводить до зменшення числа молекул газоподібних речовин, а при зменшенні тиску - у бік реакції, в якій збільшується кількість молекул газів.

Для визначення напрямку усунення рівноваги за зміни температури системи необхідно знати тепловий ефект реакції, тобто. екзотермічна дана реакція чи ендотермічна. При цьому слід пам'ятати, що при перебігу екзотермічної реакції теплота виділяється і підвищується температура. При протіканні ендотермічної реакції температура падає рахунок поглинання теплоти. Отже, при підвищенні температури рівновага завжди зміщується у бік ендотермічної реакції, а при зниженні - у бік екзотермічної реакції. Наприклад, у системі, де протікає оборотна реакція

1. Серед усіх відомих реакцій розрізняють реакції оборотні та незворотні. При вивченні реакцій іонного обміну було перераховано умови, у яких вони протікають остаточно. ().

Відомі такі реакції, які за цих умов остаточно не йдуть. Так, наприклад, при розчиненні у воді сірчистого газу відбувається реакція: SO 2 +H 2 O→ H 2 SO 3 . Але виявляється, що в водному розчиніможе утворитися лише певна кількість сірчистої кислоти. Це тим, що сірчиста кислота неміцна, і відбувається зворотна реакція, тобто. розкладання на оксид сірки та воду. Отже, дана реакція не йде до кінця тому, що одночасно відбувається дві реакції. пряма(між оксидом сірки та водою) та зворотна(Розкладання сірчистої кислоти). SO 2 +H 2 O↔ H 2 SO 3 .

Хімічні реакції, що протікають за цих умов у взаємно протилежних напрямках, називаються оборотними.

2. Оскільки швидкість хімічних реакцій залежить від концентрації речовин, що реагують, то спочатку швидкість прямої реакції( υ пр) повинна бути максимальною, а швидкістьзворотної реакції ( υ обр) дорівнює нулю. Концентрація реагуючих речовин з часом зменшується, а концентрація продуктів реакції збільшується. Тому швидкість прямої реакції зменшується, а швидкість зворотної реакції збільшується. У певний момент часу швидкість прямої та зворотної реакцій стають рівними:

У всіх оборотних реакціях швидкість прямої реакції зменшується, швидкість зворотної реакції зростає доти, поки обидві швидкості не стануть рівними і не встановиться стан рівноваги:

υ пр =υ обр

Стан системи, у якому швидкість прямої реакції дорівнює швидкості зворотної реакції, називають хімічною рівновагою.

У стані хімічної рівноваги кількісне співвідношення між речовинами, що реагують, і продуктами реакції залишається постійним: скільки молекул продукту реакції в одиницю часу утворюється, стільки їх і розкладається. Однак стан хімічної рівноваги зберігається доти, доки залишаються незмінними умови реакції: концентрація, температура та тиск.

Кількісно стан хімічної рівноваги описується законом чинних мас.

При рівновазі відношення добутку концентрацій продуктів реакції (у ступенях їх коефіцієнтів) до твору концентрацій реагентів (теж у ступенях їх коефіцієнтів) є величина постійна, яка не залежить від вихідних концентрацій речовин у реакційній суміші.

Ця постійна величинаназивається константою рівноваги - k

Так для реакції: N 2 (Г) + 3 H 2 (Г) ↔ 2 NH 3 (Г) + 92,4 кДжконстанта рівноваги виражається так:

υ 1 =υ 2

υ 1 (Прямої реакції) = k 1 [ N 2 ][ H 2 ] 3 , де– рівноважні молярні концентрації = моль/л

υ 2 (Зворотної реакції) = k 2 [ NH 3 ] 2

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

K p = k 1 / k 2 = [ NH 3 ] 2 / [ N 2 ][ H 2 ] 3 – константа рівноваги.

Хімічна рівновага залежить – від концентрації, тиску, температури.

Принципвизначає напрям змішування рівноваги:

Якщо систему, що у рівновазі надали зовнішнє вплив, то рівновага у системі зміститься у бік зворотну цьому впливу.

1) Вплив концентрації – якщо збільшити концентрацію вихідних речовин, то рівновага зміщується у бік утворення продуктів реакції.

Наприклад,K p = k 1 / k 2 = [ NH 3 ] 2 / [ N 2 ][ H 2 ] 3

При додаванні в реакційну суміш, наприклад азоту, тобто. зростає концентрація реагенту, знаменник у вираженні для До збільшується, але оскільки К – константа, то виконання цієї умови має збільшитися і чисельник. Таким чином, реакційної суміші зростає кількість продукту реакції. У разі говорять про зміщення хімічного рівноваги вправо, у бік продукту.

Отже, збільшення концентрації реагентів (рідких чи газоподібних) зміщує у бік продуктів, тобто. у бік прямої реакції. Збільшення концентрації продуктів (рідких чи газоподібних) зміщує рівновагу у бік реагентів, тобто. у бік зворотної реакції.

Зміна маси твердої речовинине змінює положення рівноваги.

2) Вплив температури - Збільшення температури зміщує рівновагу в бік ендотермічної реакції.

а)N 2 (Г) + 3H 2 (Г) ↔ 2NH 3 (Г) + 92,4 кДж (екзотермічна – виділення тепла)

При підвищенні температури рівновага зміститься у бік реакції розкладання аміаку (←)

б)N 2 (Г) +O 2 (Г) ↔ 2NO(Г) - 180,8 кДж (ендотермічна -поглинання тепла)

При підвищенні температури рівновага зміститься у бік реакції освіти NO (→)

3) Вплив тиску (тільки для газоподібних речовин) – при збільшенні тиску, рівновага зміщується у бік утворенняя речовин, що займають меншийб'єм.

N 2 (Г) + 3H 2 (Г) ↔ 2NH 3 (Г)

1 V - N 2

3 V - H 2

2 V – NH 3

При підвищенні тиску ( P): до реакції4 V газоподібних речовин → після реакції2 Vгазоподібних речовин, отже, рівновага зміщується вправо ( → )

При збільшенні тиску, наприклад, у 2 рази, обсяг газів зменшується в таку ж кількість разів, а отже, концентрації всіх газоподібних речовин зростуть у 2 рази. K p = k 1 / k 2 = [ NH 3 ] 2 / [ N 2 ][ H 2 ] 3

У цьому випадку чисельник виразу для К збільшиться на 4 рази, а знаменник у 16 разів, тобто. рівність порушиться. Для його відновлення мають зрости концентрація аміакута зменшитися концентрації азотуіводороду. Рівнавага зміститься праворуч.

Отже, у разі підвищення тиску рівновагу зміщується у бік зменшення обсягу, при зниженні тиску – убік збільшення обсягу.

Зміна тиску мало позначається обсягу твердих і рідких речовин, тобто. не змінює їхню концентрацію. Отже, рівновага реакцій, у яких гази не беруть участь, практично не залежить від тиску.

! Протягом хімічної реакції впливають речовини. каталізатори.Але при використанні каталізатора знижується енергія активації як прямої, так і зворотної реакції на ту саму величину і тому рівновага не зміщується.

Розв'яжіть завдання:

№1. Вихідні концентрації СО та O 2 у оборотній реакції

2CO(г) + O 2 (г)↔ 2 CO 2 (г)

Рівні відповідно 6 та 4 моль/л. Обчисліть константу рівноваги, якщо концентрація CO 2 у момент рівноваги дорівнює 2 моль/л.

№2. Реакція протікає за рівнянням

2SO 2 (г) + O 2 (г) = 2SO 3 (г) + Q

Вкажіть, куди зміститься рівновага, якщо

а) збільшити тиск

б) підвищити температуру

в) збільшити концентрацію кисню

г) запровадження каталізатора?