"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Дроздов А.А. и др./ Под ред. Лунина В.В.
Обратимая реакция может идти в двух направлениях: исходные вещества превращаются в продукты, а продукты — обратно в исходные вещества. В закрытой системе обе реакции со временем уравновешиваются по скорости, и состав смеси перестаёт заметно меняться. Такое состояние называют динамическим химическим равновесием: превращения продолжаются, но идут с одинаковой скоростью. Понимание равновесия помогает предсказывать, как изменение концентрации, температуры или давления повлияет на состав веществ.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Обратимая реакция — реакция, которая при одних и тех же условиях может идти как в прямом, так и в обратном направлении. Её обозначают двумя противоположно направленными стрелками: A + B ⇄ C. Такая запись показывает, что продукты могут снова превратиться в исходные вещества.
Прямая реакция — превращение исходных веществ в продукты, а обратная реакция — превращение продуктов обратно в исходные вещества. Эти названия помогают различать два направления одного процесса. В записи A + B ⇄ C прямое направление идёт слева направо, обратное — справа налево.
Химическое равновесие — состояние обратимой реакции, при котором скорости прямой и обратной реакций равны, а состав системы со временем не меняется. Это понятие позволяет описать состояние смеси, не принимая постоянство её состава за остановку реакций. Равновесие устанавливается в системе, где условия сохраняются.
Смещение химического равновесия — изменение равновесного состава системы в сторону образования исходных веществ или продуктов после изменения условий. Это выражение описывает, как система отвечает на внешнее воздействие. По направлению смещения можно понять, какие вещества будут образовываться в большем количестве при установлении нового равновесия.
В закрытой системе исходные вещества сначала сталкиваются и превращаются в продукты. По мере накопления продукты тоже начинают сталкиваться друг с другом, а часть таких столкновений приводит к обратному превращению. Поэтому обратная реакция не требует отдельного запуска: её участники появляются в самой системе. Закрытый сосуд помогает веществам оставаться внутри и взаимодействовать, а не покидать смесь.
Скорость прямой реакции обычно уменьшается, потому что исходные вещества расходуются и столкновений между их частицами становится меньше. Одновременно продуктов становится больше, поэтому возрастает вероятность их взаимодействия и скорость обратной реакции. Так соотношение скоростей постепенно меняется. Эти изменения объясняются тем, что для реакций важны концентрации частиц, способных столкнуться.
Равновесие наступает, когда обе скорости становятся одинаковыми. Если за некоторое время прямая реакция образует столько частиц продуктов, сколько обратная превращает обратно, общий состав смеси не меняется. При этом на уровне частиц превращения не прекращаются. Поэтому равновесие называют динамическим: слово «динамическое» указывает на продолжающееся движение и взаимодействие частиц.
Концентрация показывает, сколько вещества содержится в определённом объёме. В равновесии концентрация каждого вещества постоянна во времени, поскольку прямые и обратные изменения компенсируют друг друга. Но это не означает, что концентрации всех веществ равны: их соотношение зависит от реакции и условий. На графике установление равновесия видно по тому, что линии концентраций перестают подниматься или опускаться.
Если изменить концентрацию, температуру или давление, прежнее равновесие нарушается, и скорости реакций становятся неодинаковыми. При добавлении вещества система преимущественно расходует его, то есть равновесие смещается в сторону его превращения. Повышение давления в газовой системе благоприятствует стороне, где меньше молей газа; если их число одинаково, этот фактор не задаёт смещения. Повышение температуры способствует эндотермическому направлению — тому, которое поглощает тепло; понижение температуры благоприятствует экзотермическому направлению, выделяющему тепло.
| Характеристика | До установления равновесия | В состоянии равновесия |
|---|---|---|
| Скорость прямой реакции | Обычно уменьшается по мере расходования исходных веществ | Постоянна при неизменных условиях |
| Скорость обратной реакции | Обычно возрастает по мере накопления продуктов | Постоянна при неизменных условиях |
| Соотношение скоростей | Скорости не равны | Скорости равны |
| Концентрации веществ | Изменяются со временем | Не меняются со временем, но могут быть разными |
| Протекание прямой и обратной реакций | Обе реакции идут, их скорости различаются | Обе реакции идут с одинаковой скоростью |
Сравнивайте столбцы, чтобы увидеть, что именно меняется при установлении равновесия: скорости становятся равными, а концентрации — постоянными. Таблица не означает, что количества исходных веществ и продуктов должны совпасть. Для конкретной реакции учитывайте её состав и условия.
Условие. Реакция A + B ⇄ C идёт в закрытом сосуде. Нужно проследить, как со временем меняются скорости прямой и обратной реакций и определить, когда установится равновесие. Считаем, что в начале в сосуде есть A и B, а продукта C ещё нет или очень мало.
Ответ. Скорость прямой реакции обычно уменьшается, а скорость обратной возрастает. Равновесие устанавливается, когда скорости становятся равными; обе реакции продолжаются, а состав смеси перестаёт меняться.
Условие. Система A ⇄ B уже находится в равновесии, затем увеличили концентрацию A. Требуется определить направление смещения. Добавление A нарушает прежнее соотношение веществ, поэтому система начинает реагировать на это изменение.
Ответ. Равновесие сместится вправо, в сторону образования B. Это не значит, что вся A обязательно превратится в B: система лишь изменит состав до нового равновесного состояния.
Условие. Рассмотрим реакцию N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃, прямая реакция которой сопровождается выделением теплоты. Нужно предсказать влияние увеличения давления и повышения температуры. Здесь надо отдельно оценить каждый фактор и не смешивать их действие.
Ответ. Увеличение давления смещает равновесие вправо, к NH₃. Повышение температуры смещает его влево, к N₂ и H₂, поскольку обратное направление эндотермическое.
Ошибка: считать, что при равновесии реакции прекращаются. Так можно решить из-за того, что состав смеси перестаёт меняться. Проверь себя: условие равновесия — равенство скоростей, а не их обращение в ноль; обе реакции продолжаются.
Ошибка: полагать, что равновесные концентрации всех веществ одинаковы. Слово «равновесие» иногда ошибочно связывают с одинаковыми количествами. Проверь себя: постоянство каждой концентрации во времени не означает, что концентрации разных веществ равны.
Ошибка: путать равенство скоростей с равенством количеств исходных веществ и продуктов. Скорость показывает изменение количества за время, а количество — сколько вещества есть в системе. Чтобы проверить рассуждение, спроси себя: сравниваются ли скорости превращений или состав смеси? Это разные характеристики.
Ошибка: считать, что катализатор смещает равновесие. Такое мнение появляется потому, что катализатор ускоряет реакцию и быстрее меняет наблюдаемый состав. Но он ускоряет прямую и обратную реакции, помогая системе быстрее достичь равновесия, а не меняя его положение. Проверь себя: катализатор изменяет время достижения равновесия, но не равновесный состав.
Чтобы разбирать обратимые реакции, нужно уметь составлять и уравнивать химические уравнения, а также различать исходные вещества и продукты. Стрелка и расположение формул помогают определить, какое направление называют прямым, а какое — обратным. Без этих навыков легко неверно прочитать реакцию или сравнить её стороны.
Тема опирается на представление о скорости химической реакции: именно изменение скоростей приводит к установлению равновесия. Далее это знание пригодится, чтобы объяснять влияние условий на равновесие и выполнять расчёты для равновесных систем. При решении важно отдельно следить за направлением реакции и изменением состава.
Почему химическое равновесие называют динамическим?
В состоянии равновесия прямая и обратная реакции продолжаются одновременно. Они идут с одинаковой скоростью, поэтому состав системы не меняется.
Останавливаются ли реакции после установления равновесия?
Нет, обе реакции продолжаются. Их скорости равны, поэтому изменения, которые они вызывают, взаимно компенсируются.
Обязаны ли концентрации веществ в равновесии быть одинаковыми?
Нет, равновесные концентрации могут отличаться. Постоянство означает лишь, что каждая концентрация со временем не меняется.
Что означает смещение химического равновесия?
Это изменение равновесного состава системы после изменения условий. Система начинает преимущественно образовывать исходные вещества или продукты, пока не установится новое равновесие.
Почему катализатор не меняет положение равновесия?
Катализатор ускоряет и прямую, и обратную реакции. Поэтому равновесие достигается быстрее, но соотношение веществ в равновесном состоянии не меняется.
§ 21. Обратимые реакции. Химическое равновесие
