§ 21. Для обратимых реакций возможно химическое равновесие

Определения и обозначения

Обратимая реакция — реакция, способная протекать в двух направлениях: от исходных веществ к продуктам и от продуктов к исходным веществам. Это возможно, если образовавшиеся вещества могут взаимодействовать друг с другом и восстанавливать исходные. В уравнении обратимую реакцию обозначают знаком ⇄, показывающим оба направления превращения.

Прямая реакция — превращение, которое в записанном уравнении идёт слева направо; исходные вещества при этом расходуются, а продукты образуются. Обратная реакция идёт справа налево: продукты расходуются, исходные вещества появляются. Различать направления нужно, чтобы правильно назвать, какие вещества вступают в реакцию при каждом ходе процесса.

Химическое равновесие — состояние обратимой реакции, при котором скорости прямой и обратной реакций равны. Скорость показывает, как быстро протекает химическое превращение. Равенство скоростей важно потому, что оно объясняет неизменность состава смеси, хотя сама реакция не останавливается.

Динамическое равновесие — равновесие, при котором превращения частиц продолжаются в обоих направлениях с одинаковыми скоростями. Слово «динамическое» напоминает, что вещества не застыли в неизменном виде: прямой процесс компенсируется обратным. Это помогает отличать равновесие от полного прекращения реакции.

Как это устроено

В начале обратимого процесса в сосуде обычно находятся исходные вещества, а продуктов ещё нет или мало. Исходные вещества сталкиваются и превращаются в продукты, поэтому сразу начинает идти прямая реакция. Как только продукты появились, их частицы тоже могут сталкиваться и образовывать исходные вещества, то есть запускается обратная реакция. Она не ждёт, пока прямая завершится: оба направления возможны одновременно.

Сразу после смешения реагентов прямая реакция обычно идёт быстрее: исходных веществ много, а продуктов пока мало. По мере прямого превращения количество исходных веществ уменьшается, и прямой процесс замедляется. Одновременно продукты накапливаются, поэтому всё больше их частиц может вступить в обратную реакцию и её скорость возрастает. Изменение продолжается до тех пор, пока скорости двух направлений не сравняются.

Равенство скоростей означает, что за одинаковый промежуток времени прямое и обратное превращения компенсируют друг друга. Сколько вещества расходуется в одном направлении, столько же в целом возвращается в обратном, поэтому количества и концентрации компонентов перестают меняться. Но из этого не следует, что концентрации равны: например, продукта может быть больше, чем отдельного реагента. Значение равновесия — в постоянстве состава, а не в одинаковом количестве всех веществ.

На уровне частиц реакции в равновесии не прекращаются: одни частицы превращаются в продукты, другие в то же время дают исходные вещества. Поскольку оба процесса идут с одной скоростью, изменения взаимно компенсируются. Наблюдатель видит неизменный макроскопический состав системы, хотя на молекулярном уровне превращения продолжаются. Поэтому равновесие называют динамическим, а не неподвижным.

Для установления равновесия нужны обратимая реакция и закрытая система, из которой вещества не уходят и в которую они не поступают. Если продукт покидает сосуд, обратному процессу может не хватать вещества; если реагенты или продукты добавляют извне, состав системы меняется по другой причине. При неизменных условиях достигнутое равновесие сохраняется. Так объясняется, почему понятие равновесия применяют к системе, а не просто к отдельному уравнению реакции.

Прямая и обратная реакции и химическое равновесие

Сначала найдите направление стрелки: по нему легко установить, какие вещества расходуются и образуются. Затем сравните первые два столбца с последним: равновесие не отменяет оба процесса, а означает компенсацию их изменений. Таблица также помогает не спутать равенство скоростей с равенством концентраций.

Разбор задач

Задача 1

Условие: для реакции N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ укажите, какие вещества расходуются и образуются при протекании прямой и обратной реакций. Здесь важно не считать, что запись стрелки описывает только один ход. Нужно прочитать уравнение слева направо, а затем мысленно развернуть его справа налево.

1. При прямом ходе читаем уравнение слева направо. Слева записаны N₂ и H₂, значит, они вступают в реакцию и расходуются.
2. Справа записан NH₃, поэтому при прямой реакции аммиак образуется. Коэффициенты показывают соотношение частиц: 1 частица N₂ и 3 частицы H₂ дают 2 частицы NH₃.
3. При обратном ходе начинаем с правой части: NH₃ расходуется. Из него образуются N₂ и H₂, причём соотношение соответствует коэффициентам уравнения.

Ответ: в прямой реакции расходуются N₂ и H₂, образуется NH₃; в обратной реакции расходуется NH₃, образуются N₂ и H₂. При чтении обратного направления реагенты и продукты меняются ролями.

Задача 2

Условие: в закрытом сосуде идёт обратимая реакция. Объясните, как меняются скорости прямой и обратной реакций после начала процесса и в какой момент устанавливается равновесие. Чтобы ответить, нужно учесть, какие вещества присутствуют в сосуде сначала и как они меняются в ходе реакции. Сам факт начала прямого превращения не означает, что обратная реакция будет ждать его окончания.

1. В начале в сосуде находятся реагенты, поэтому прямая реакция уже идёт. Продуктов ещё мало, следовательно, обратной реакции пока почти нечем поддерживаться; её скорость обычно ниже.
2. Прямая реакция расходует реагенты, поэтому её скорость со временем уменьшается. Одновременно продукты накапливаются, и обратная реакция ускоряется.
3. Продолжаем сравнивать скорости: равновесие устанавливается не тогда, когда одна из реакций остановилась, а когда скорости прямого и обратного процессов стали равны.
4. После этого оба направления продолжаются, но изменения состава компенсируют друг друга. В закрытом сосуде при неизменных условиях концентрации веществ остаются постоянными.

Ответ: сначала прямая реакция обычно быстрее, затем её скорость уменьшается, а скорость обратной увеличивается. Равновесие наступает при равенстве этих скоростей; они остаются ненулевыми.

Задача 3

Условие: в равновесной системе концентрации веществ постоянны, но концентрация продукта больше концентрации одного из реагентов. Определите, равны ли скорости реакций и продолжаются ли превращения. В этой задаче сравниваются два разных свойства: сколько вещества содержится в системе и как быстро протекают процессы в двух направлениях. Их нельзя подменять друг другом.

1. Постоянство концентраций говорит о том, что состав системы со временем не меняется. Для равновесной обратимой реакции это связано с компенсацией изменений в двух направлениях.
2. Условие равновесия — равенство скорости прямой и обратной реакций. Оно не требует, чтобы концентрации продукта и реагента были одинаковыми.
3. Поскольку скорости равны, но не равны нулю, превращения продолжаются. Частицы реагируют и в прямом, и в обратном направлениях, хотя общая картина системы остаётся неизменной.

Ответ: скорости прямой и обратной реакций равны и не равны нулю; превращения продолжаются. Концентрация продукта может быть больше концентрации реагента, поскольку равновесие означает постоянство концентраций, а не их равенство.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что при равновесии реакции прекращаются. Так можно подумать, потому что концентрации больше не меняются. Но они постоянны из-за взаимной компенсации двух процессов, а не из-за остановки превращений. Проверка: вспомните, что равновесные скорости одинаковы, но не равны нулю.

Ошибка: считать, что равные скорости означают равные концентрации. Скорость показывает изменение количества вещества за время, а концентрация — сколько вещества содержится в данном объёме. Эти величины описывают разное, поэтому одинаковые скорости не требуют одинаковых концентраций. Проверка: в определении равновесия ищите слово «скорости», а не «концентрации».

Ошибка: путать равновесие с полным превращением исходных веществ в продукты. Иногда кажется, что прямая реакция должна закончиться, прежде чем обратная начнётся. В действительности продукты могут вступать в обратную реакцию, а в равновесной смеси обычно остаются и продукты, и исходные вещества. Проверка: если процесс обратим, задайте вопрос, может ли продукт снова образовать исходные вещества.

Ошибка: полагать, что равновесие возможно в любой системе. Такое упрощение забывает, что веществам нужно оставаться внутри системы, чтобы оба направления могли поддерживаться. Для установления равновесия необходимы обратимая реакция и закрытая система; при изменении условий неизменность состава не гарантируется. Проверка: выясните, не покидают ли вещества сосуд и не поступают ли туда извне.

Связь с другими темами

Для понимания равновесия нужны знания о признаках химических реакций, уравнениях и скорости реакции. Умение составлять уравнения помогает определять, какие вещества расходуются и образуются при каждом направлении процесса, а представление о скорости — сравнивать эти направления. Дальше понятие равновесия понадобится при изучении его смещения и факторов, влияющих на выход продуктов. Тогда важно будет различать установившееся состояние и его изменение под действием условий.

Что запомнить

• Обратимую реакцию записывают с помощью знака ⇄.
• В обратимой реакции одновременно протекают прямая и обратная реакции.
• В начале процесса скорости прямой и обратной реакций обычно различаются.
• Химическое равновесие устанавливается, когда скорости прямой и обратной реакций равны.
• При равновесии концентрации веществ постоянны, но не обязательно равны друг другу.
• Равновесие динамическое: превращения продолжаются в обоих направлениях.
• В равновесии обычно присутствуют и исходные вещества, и продукты реакции.