§ 15. Химическое равновесие и условия его смещения

Определения и обозначения

Обратимая реакция может идти и в прямом, и в обратном направлениях: исходные вещества превращаются в продукты, а продукты снова образуют исходные вещества. Её записывают двойной стрелкой, например A + B ⇄ C + D. Такое обозначение показывает, что оба процесса возможны при одних и тех же условиях.

Химическое равновесие — состояние системы, в котором скорости прямой и обратной реакций равны. Поэтому концентрации всех участников при неизменных условиях остаются постоянными, хотя сами реакции продолжаются. Равновесие нужно отличать от остановки реакции.

Смещение химического равновесия — изменение соотношения между продуктами и исходными веществами после изменения условий. Если продуктов становится относительно больше, говорят о смещении вправо, если исходных веществ — влево. Это понятие помогает предсказать результат внешнего воздействия.

Принцип Ле Шателье формулируется так: если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне, равновесие смещается в направлении, ослабляющем это воздействие. Система как бы противодействует изменению концентрации, давления или температуры. По этому правилу выбирают условия для получения большего количества нужного продукта.

Как это устроено

В начале обратимой реакции обычно преобладает прямой процесс: исходных веществ много, поэтому столкновения их частиц происходят часто. По мере образования продуктов их концентрация растёт, и обратная реакция ускоряется. Одновременно исходные вещества расходуются, прямая реакция замедляется, пока скорости обоих направлений не сравняются.

Динамическое равновесие означает постоянное движение частиц, а не неподвижность системы. Прямая реакция продолжает образовывать продукты, обратная — расходовать их с такой же скоростью. Поэтому за одинаковые промежутки времени состав не меняется, хотя на уровне частиц обмен продолжается.

Изменение концентрации нарушает равенство скоростей, потому что меняется частота столкновений частиц. Если добавить исходное вещество, возрастает вероятность прямых столкновений, и система расходует избыток, образуя продукты. Если добавить продукт, усиливается обратное направление; удаление вещества, напротив, вызывает смещение в сторону его образования.

Для газовых реакций изменение давления влияет на равновесие, если по сторонам уравнения указано разное число молей газа. Повышение давления система ослабляет переходом к стороне с меньшим числом молей, поскольку там после сжатия возникает меньшее суммарное давление. При одинаковом числе молей газов с обеих сторон такой причины для смещения нет.

Температура влияет на равновесие как добавление или удаление теплоты. Нагревание благоприятствует эндотермическому направлению, поглощающему тепло, а охлаждение — экзотермическому, сопровождающемуся выделением теплоты. Катализатор действует иначе: он ускоряет обе реакции, снижая их энергетический барьер, но не изменяет равновесное соотношение веществ.

Влияние внешних условий на химическое равновесие

В таблице сначала определите, какое условие изменилось, затем сравните это воздействие с принципом Ле Шателье. Для давления считайте коэффициенты только у газообразных веществ. При температурном воздействии установите, какое направление реакции является эндотермическим.

Разбор задач

Задача 1

Для реакции N₂(г) + 3H₂(г) ⇄ 2NH₃(г) определим направление смещения при увеличении концентрации водорода. Водород является исходным веществом и находится слева в уравнении. Следовательно, добавление H₂ нарушает равновесие в пользу его расходования.

1. Находим вещество, концентрация которого увеличилась: это H₂.
2. По принципу Ле Шателье выбираем направление, где водород расходуется.
3. В прямой реакции водород превращается вместе с азотом в аммиак.

Ответ: равновесие сместится вправо, в сторону образования NH₃.

Задача 2

Для той же реакции определим направление смещения при повышении давления. Слева находится 1 + 3 = 4 моль газов, а справа — 2 моль газа. При сжатии система будет переходить к стороне, где газообразных веществ меньше.

1. Считаем коэффициенты только у газов слева: 4 моль.
2. Считаем коэффициенты газов справа: 2 моль.
3. Сравниваем числа и выбираем правую сторону как сторону меньшего числа молей газа.

Ответ: при повышении давления равновесие сместится вправо, к образованию аммиака.

Задача 3

Рассмотрим экзотермическую реакцию 2SO₂(г) + O₂(г) ⇄ 2SO₃(г) + Q. Нужно одновременно учесть повышение температуры и понижение давления. Эти воздействия направлены на разные стороны равновесия, поэтому их анализируют раздельно.

1. Повышение температуры смещает равновесие в эндотермическую, то есть обратную, сторону: вправо выделяется теплота, значит обратное направление её поглощает.
2. Слева 3 моль газа, справа 2 моль, поэтому понижение давления благоприятствует стороне большего числа молей — левой.
3. Оба воздействия направляют систему влево, к SO₂ и O₂.

Ответ: повышение температуры и понижение давления совместно смещают равновесие влево.

Типичные ошибки

Ошибка: считать равновесие прекращением реакции. Её допускают, потому что концентрации перестают заметно изменяться. Проверьте себя: в равновесии скорости прямой и обратной реакций равны, но обе реакции продолжаются.

Ошибка: путать влияние реагента и продукта. Иногда считают, что добавленное вещество увеличивает его долю в равновесии. Нужно помнить: система смещается в сторону расходования добавленного вещества, поэтому добавленный реагент направляет процесс к продуктам, а продукт — к исходным веществам.

Ошибка: считать молекулы вместо молей газов. Для давления сравнивают сумму коэффициентов газообразных веществ в уравнении, а не число отдельных частиц в реальном сосуде. Выпишите агрегатные состояния и сложите только газовые коэффициенты слева и справа.

Ошибка: считать, что катализатор смещает равновесие. Такое мнение возникает из-за того, что катализатор ускоряет получение продукта. Проверьте оба направления: если ускорены и прямая, и обратная реакции, равновесное соотношение не меняется, а устанавливается оно быстрее.

Связь с другими темами

До изучения темы нужны представления об обратимости реакций, уравнивании химических уравнений, а также об экзотермических и эндотермических процессах. Без этих знаний трудно определить направление смещения по температуре и числу молей газа.

Тема связана с химической кинетикой: равенство скоростей прямой и обратной реакций объясняет динамический характер равновесия. Изменение условий меняет скорости процессов, поэтому система приходит к новому равновесному состоянию.

Дальше эти правила используют при выборе условий промышленных процессов. Они помогают управлять синтезом аммиака и получением серной кислоты, добиваясь нужного выхода продукта.

Что запомнить

• Химическое равновесие динамическое: обе реакции продолжаются.
• В равновесии скорости прямой и обратной реакций равны.
• Добавленное вещество смещает равновесие в сторону его расходования.
• Повышение давления смещает газовое равновесие в сторону меньшего числа молей газа.
• Нагревание смещает равновесие в эндотермическую сторону.
• Катализатор ускоряет установление равновесия, но не смещает его.