§ 11. Обратимые химические реакции. Химическое равновесие

Определения и обозначения

Обратимая химическая реакция — реакция, которая при одних и тех же условиях может идти в прямом и обратном направлениях. Её записывают знаком ⇄, показывающим, что превращение возможно в обе стороны. Это обозначение помогает отличить обратимую реакцию от реакции, которую в данных условиях рассматривают как идущую только к продуктам.

Прямая реакция идёт от исходных веществ к продуктам, а обратная — от продуктов к исходным веществам. Например, в записи N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ прямая реакция образует аммиак, а обратная разлагает его на азот и водород. Различение направлений нужно, чтобы понять, какие вещества расходуются и образуются при изменении условий.

Химическое равновесие — состояние обратимой реакции, при котором скорости прямой и обратной реакций равны. В этот момент система не прекращает превращения, но макроскопически её состав уже не меняется. Это понятие позволяет описать устойчивое состояние смеси реагирующих веществ и продуктов.

Равновесная концентрация — концентрация вещества в системе, находящейся в химическом равновесии; она остаётся постоянной, хотя реакции продолжаются. Постоянство относится к изменению во времени, а не к сравнению разных веществ: концентрации могут быть неодинаковыми. Это определение помогает не путать равновесие с равными количествами всех компонентов.

Как это устроено

В начале реакции в системе много исходных веществ и почти нет продуктов, поэтому чаще всего заметнее прямая реакция. Если система замкнута, образовавшиеся продукты не покидают её и накапливаются. Их частицы сталкиваются друг с другом и получают возможность реагировать с образованием исходных веществ, поэтому скорость обратной реакции возрастает.

Скорость реакции зависит от того, сколько реагирующих частиц находится в заданном объёме: при большем числе частиц чаще происходят столкновения. По мере расходования исходных веществ прямая реакция замедляется, а накопление продуктов ускоряет обратную. Эти изменения продолжаются, пока скорости двух направлений не станут равными.

В равновесии прямая и обратная реакции идут одновременно. За одинаковое время каждая из них превращает сопоставимое количество веществ в противоположном направлении, поэтому общий состав смеси не изменяется. Равновесие называют динамическим именно потому, что превращения продолжаются, хотя наблюдаемые концентрации постоянны.

Внешнее воздействие нарушает прежнее соотношение скоростей. Например, добавление реагента повышает скорость той реакции, в которой он расходуется, а изменение температуры меняет скорости прямого и обратного процессов по-разному. Система перестраивается, и после временного изменения состава устанавливается новое равновесное состояние.

Принцип Ле Шателье помогает предсказать направление перестройки: система ослабляет оказанное на неё воздействие. При изменении температуры учитывают, какая из реакций поглощает тепло, а какая выделяет; нагревание благоприятствует эндотермическому направлению. Для газов учитывают число молей: повышение давления смещает равновесие к стороне с меньшим числом газовых частиц, если это число с двух сторон различается.

Влияние условий на химическое равновесие

Чтобы воспользоваться таблицей, сначала определите, какое условие изменили, затем сравните стороны уравнения реакции. Для температуры установите тепловой эффект прямой реакции, а для давления посчитайте только газообразные частицы с учётом коэффициентов. Таблица показывает направление смещения, а не то, насколько сильно изменятся концентрации.

Разбор задач

Объясните, почему реакцию N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ называют обратимой и что означает знак ⇄.

1. Сначала определим направления превращения: слева записаны азот и водород, справа — аммиак. Образование NH₃ из N₂ и H₂ является прямой реакцией. Для ответа нужно также учесть обратное превращение.
2. При подходящих условиях молекулы аммиака могут реагировать с образованием азота и водорода. Значит, одни и те же вещества способны участвовать в превращениях в обоих направлениях. Это и позволяет назвать реакцию обратимой.
3. Знак ⇄ указывает на возможность прямого и обратного процессов. В замкнутой системе они могут идти одновременно, а при равновесии их скорости становятся равными. Следовательно, знак не означает, что вещества просто превращаются в одну сторону.

Ответ: реакция обратима, потому что аммиак может образовываться из азота и водорода и разлагаться обратно. Знак ⇄ обозначает оба направления реакции.

Для системы N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ предскажите направление смещения после добавления водорода.

1. Найдём, какое вещество добавили: H₂ находится слева от знака равновесия и является исходным веществом. Его концентрация после добавления возрастает. Нужно определить направление, в котором система будет ослаблять это воздействие.
2. По принципу Ле Шателье система стремится расходовать избыток добавленного вещества. В прямой реакции водород расходуется вместе с азотом и превращается в аммиак. Поэтому усиление прямого направления помогает уменьшить избыток H₂.
3. Значит, равновесие сместится вправо, к образованию NH₃. Это не означает мгновенного исчезновения всего добавленного водорода: после смещения установится новое равновесие с иными концентрациями.

Ответ: после добавления водорода равновесие смещается вправо, в сторону образования аммиака.

Реакция A(г) + B(г) ⇄ C(г) экзотермическая. Как изменится равновесие при повышении температуры и давления?

1. Сначала рассмотрим температуру. Прямая реакция экзотермическая, то есть выделяет тепло; при нагревании система ослабляет воздействие, выбирая направление, поглощающее тепло. Эндотермическим в данном случае будет обратное направление.
2. Следовательно, повышение температуры смещает равновесие влево, к A и B. Такой вывод основан на тепловом эффекте реакции, а не на количестве веществ в уравнении. При изменении температуры итоговый состав системы изменится.
3. Теперь сравним число молей газа: слева записаны два моля газа, справа — один моль. При повышении давления система смещается туда, где газовых частиц меньше, поэтому направление смещения — вправо, к C. Давление и температура влияют по разным причинам.

Ответ: повышение температуры смещает равновесие влево, а повышение давления — вправо.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что при равновесии реакции прекратились. Так думают, потому что состав смеси перестаёт заметно меняться; однако постоянство состава возникает из-за равных скоростей двух продолжающихся процессов. Проверьте себя: если оба направления сохраняются, равновесие динамическое, а не остановившееся.

Не следует путать равные скорости реакций с равными концентрациями веществ. Слово «равновесие» может ошибочно навести на мысль, что всех веществ должно быть поровну, но условие относится к скоростям. Проверка проста: найдите определение равновесия и сравните именно скорости, а не количества компонентов.

Катализатор не смещает равновесие, хотя реакции с ним идут быстрее. Ошибка возникает из-за того, что ускорение часто принимают за увеличение выхода продукта; катализатор ускоряет и прямое, и обратное направления. Чтобы проверить вывод, спросите, меняет ли катализатор равновесный состав: нет, он лишь помогает быстрее его достичь.

Нельзя предсказывать влияние давления, не посчитав газообразные частицы по обе стороны уравнения. Иногда учитывают все вещества или забывают коэффициенты, из-за чего выбирают неверное направление. Подсчитайте число молей газа с каждой стороны: при повышении давления смещение возможно к меньшему числу, а при равном числе его нет.

Связь с другими темами

Для понимания равновесия нужны знания о скорости химической реакции и факторах, от которых она зависит: они объясняют, почему прямой и обратный процессы меняют скорость. Уравнивание химических уравнений помогает верно определить коэффициенты и посчитать число молей газа по обе стороны. Применение принципа равновесия важно при выборе условий промышленных процессов: например, при синтезе аммиака приходится учитывать выход продукта и скорость его получения.

Что запомнить

• Обратимая реакция может идти в прямом и обратном направлениях.
• Химическое равновесие является динамическим.
• В состоянии равновесия скорости прямой и обратной реакций равны.
• При равновесии концентрации веществ постоянны, но не обязательно равны.
• Изменение концентрации может сместить равновесие в сторону расходования добавленного вещества.
• Температуру рассматривают как воздействие, а давление существенно влияет на равновесие газов при разном числе молей газа.
• Катализатор ускоряет достижение равновесия, но не смещает его.