"Химия. Профильный уровень (в 2 частях)", Кузнецова Н.Е., Литвинова Т.Н., Лёвкин А.Н.
Закон действующих масс связывает состав смеси в химическом равновесии с константой равновесия. Для обратимой реакции при заданной температуре эта константа выражается через равновесные концентрации веществ: концентрации продуктов входят в числитель, реагентов — в знаменатель, а коэффициенты уравнения становятся степенями. Закон нужен, чтобы находить неизвестный состав смеси и сравнивать равновесия. Для чистых твёрдых веществ и жидкостей концентрации в выражение не включают.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Закон действующих масс описывает связь между составом смеси в химическом равновесии и константой равновесия при постоянной температуре. Иными словами, он позволяет проверить, соответствует ли соотношение веществ равновесному состоянию. Это соотношение используют, когда нужно определить состав смеси или найти неизвестную концентрацию.
Константа равновесия — величина, равная отношению произведения равновесных концентраций продуктов к произведению равновесных концентраций реагентов, причём каждая концентрация возводится в степень, соответствующую коэффициенту вещества в уравнении. Её обозначают Kc, если выражение записано через концентрации. Константа помогает количественно описать положение равновесия при заданной температуре.
Равновесная концентрация — концентрация вещества в смеси после установления химического равновесия. Её записывают в квадратных скобках: например, [A] означает равновесную концентрацию вещества A. Такое обозначение напоминает, что для вычисления константы нужны не исходные количества, а состав уже равновесной смеси.
Выражение константы равновесия — запись отношения концентраций продуктов и реагентов для конкретного уравнения реакции. Место вещества в формуле и степень его концентрации определяются самим уравнением. Такая запись превращает словесную формулировку закона в формулу, по которой можно выполнять расчёты.
Обратимая реакция идёт в двух направлениях: реагенты превращаются в продукты, а продукты одновременно могут снова образовывать реагенты. Сначала скорости этих процессов обычно различаются, поэтому состав смеси меняется. По мере накопления продуктов обратный процесс ускоряется, а расходование исходных веществ замедляется; равновесие устанавливается тогда, когда скорости сравниваются. Реакции при этом не прекращаются, но состав смеси перестаёт заметно меняться.
Для элементарной реакции скорость процесса зависит от концентраций частиц, которые в нём сталкиваются. Поэтому скорость прямого процесса связана с концентрациями реагентов, а скорость обратного — с концентрациями продуктов. Когда скорости становятся равными, соответствующие произведения концентраций оказываются в постоянном отношении. При неизменной температуре это отношение для данной реакции сохраняется и называется константой равновесия.
Чтобы записать выражение Kc, продукты помещают в числитель, а реагенты — в знаменатель. В качестве степеней берут коэффициенты перед формулами веществ в уравнении: они отражают, в каких соотношениях частицы участвуют в превращении. Например, если перед веществом стоит коэффициент 2, его концентрация входит во вторую степень. Уравнение необходимо предварительно уравнять, иначе степени не будут соответствовать реакции.
Для реакции aA + bB ⇌ cC + dD выражение записывают так: Kc = [C]^c[D]^d / ([A]^a[B]^b). В квадратные скобки подставляют именно равновесные концентрации каждого участника, а не начальные значения. Коэффициенты a, b, c и d становятся показателями степеней, но сами по себе в выражение множителями не входят. По известным концентрациям можно вычислить Kc, а по известной константе и части концентраций — найти недостающие.
В гетерогенном равновесии вещества находятся в разных фазах, например твёрдое вещество взаимодействует с газом. Концентрация чистого твёрдого вещества или чистой жидкости остаётся постоянной, пока соответствующая фаза присутствует, поэтому её постоянный вклад включён в значение константы. В результате эти вещества не записывают в выражении равновесия. Для газов вместо концентраций иногда используют парциальные давления и обозначают константу Kp.
| Случай | Реакция | Выражение |
|---|---|---|
| Обратимая реакция в растворе или газовой смеси | aA + bB ⇌ cC + dD | Kc = [C]^c[D]^d / ([A]^a[B]^b) |
| Гетерогенное равновесие с чистыми твёрдыми веществами или жидкостями | aA(тв) + bB(г) ⇌ cC(г) + dD(ж) | Включают газообразные и растворённые вещества; чистые твёрдые вещества и жидкости не включают |
| Равновесие в газовой фазе, если используют парциальные давления | aA(г) + bB(г) ⇌ cC(г) + dD(г) | Kp = p(C)^c p(D)^d / (p(A)^a p(B)^b) |
Сначала определите, какие вещества участвуют в реакции и в каких фазах они находятся, затем перенесите коэффициенты уравнения в показатели степеней. Для Kc подставляйте равновесные концентрации, а для Kp — парциальные давления газов. В гетерогенном случае исключите чистые твёрдые вещества и жидкости.
Задача 1. Для реакции N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ равновесные концентрации равны [N₂] = 0,20 моль/л, [H₂] = 0,60 моль/л, [NH₃] = 0,10 моль/л. Найдите Kc. Сначала переносим коэффициенты уравнения в степени концентраций, затем подставляем данные в полученную формулу.
Ответ: Kc ≈ 0,23. Куб у концентрации водорода возникает из-за коэффициента 3, а не из-за численного значения концентрации.
Задача 2. Для реакции H₂ + I₂ ⇌ 2HI при равновесии [H₂] = 0,30 моль/л, [I₂] = 0,20 моль/л, [HI] = 0,60 моль/л. Вычислите Kc. Поскольку HI является продуктом и имеет коэффициент 2, его концентрацию нужно возвести в квадрат.
Ответ: Kc = 6. Проверка порядка проста: в числителе стоит продукт, а в знаменателе — оба реагента.
Задача 3. В сосуде постоянного объёма идёт реакция H₂ + I₂ ⇌ 2HI. Изначально [H₂] = [I₂] = 1,0 моль/л, [HI] = 0, а Kc = 4. Нужно найти равновесные концентрации. Обозначим через x количество прореагировавших H₂ и I₂: по уравнению одновременно образуется 2x HI.
Ответ: [H₂] = 0,5 моль/л, [I₂] = 0,5 моль/л, [HI] = 1,0 моль/л.
Первая ошибка — считать коэффициент уравнения множителем перед концентрацией или принимать его за саму концентрацию. В выражении константы коэффициент задаёт показатель степени: для 2A концентрация будет [A]². Ошибка возникает из-за смешения записи реакции и математической формулы; проверьте себя, отдельно выписав коэффициент каждого вещества и поставив его над соответствующей скобкой.
Вторая ошибка — помещать реагенты в числитель, а продукты в знаменатель. Так получается обратная величина, а не выражение Kc, потому что продукты по принятому правилу записывают сверху. Чтобы проверить формулу, сначала отметьте вещества, стоящие справа от стрелки равновесия, и поместите именно их в числитель.
Третья ошибка — подставлять начальные концентрации, хотя формула связывает константу с равновесным составом. Начальные данные описывают смесь до завершения перестройки, поэтому концентрации в этот момент могут давать другое отношение. Перед подстановкой проверьте условие: если концентрации названы равновесными, используйте их; если заданы исходные, сначала найдите равновесные.
Четвёртая ошибка — включать в формулу чистые твёрдые вещества и жидкости. Их постоянные концентрации не меняются вместе с составом смеси и уже учтены в константе, поэтому лишние множители в выражении не нужны. Ошибку легко выявить, указав фазу каждого участника реакции: чистые твёрдые вещества и жидкости следует убрать, оставив газы и растворённые вещества.
Для изучения закона действующих масс нужно знать, что такое обратимая реакция и химическое равновесие, а также понимать смысл скорости реакции. Коэффициенты в уравнении показывают соотношение веществ при превращении и определяют степени в формуле константы. Закон применяют в расчётах равновесных концентраций и самой константы. Он также служит основой для изучения смещения равновесия и принципа Ле Шателье: чтобы объяснить смещение, сначала нужно уметь описать исходный равновесный состав.
Почему в формулу константы равновесия входят именно равновесные концентрации?
Константа описывает соотношение веществ в состоянии химического равновесия, когда скорости прямой и обратной реакций равны. До установления равновесия состав смеси меняется, поэтому начальные концентрации не обязаны удовлетворять этому соотношению.
Откуда берутся степени у концентраций в выражении Kc?
Степени берут из стехиометрических коэффициентов уравнения реакции. Например, для 2A + B ⇌ C концентрация A входит во второй степени, поскольку в уравнении перед A стоит коэффициент 2.
Нужно ли уравнивать реакцию перед записью выражения константы?
Да, сначала нужно записать уравнение реакции с правильными стехиометрическими коэффициентами. Именно по ним определяют степени концентраций в выражении Kc.
Почему чистые твёрдые вещества не включают в выражение Kc?
В равновесии концентрация чистого твёрдого вещества постоянна и не меняется при изменении его количества, пока оно присутствует. Её постоянное значение уже учтено в константе, поэтому в выражении оставляют газообразные и растворённые вещества.
Изменяется ли константа равновесия при изменении концентрации реагента?
При постоянной температуре значение константы равновесия не меняется. Изменение концентрации нарушает равновесие, и состав смеси перестраивается, пока снова не установится соотношение, заданное той же константой.
§ 22. Закон действующих масс
