"Химия. Профильный уровень (в 2 частях)", Кузнецова Н.Е., Литвинова Т.Н., Лёвкин А.Н.
Химическое равновесие устанавливается в обратимой реакции, когда скорости прямого и обратного процессов становятся равными. Реакция при этом не прекращается: вещества продолжают превращаться, но их концентрации остаются постоянными. Константа равновесия показывает соотношение продуктов и реагентов, а принцип Ле Шателье помогает определить, как система ответит на изменение температуры, давления или концентрации.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Химическое равновесие — динамическое состояние обратимой реакции, при котором скорости прямой и обратной реакций равны, а состав системы при постоянных условиях не меняется. Оно нужно, чтобы описывать не только завершившиеся реакции, но и системы, где превращения идут в обоих направлениях. Постоянство концентраций не означает прекращения реакции.
Константа равновесия — величина, выраженная через равновесные концентрации участников реакции в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам. Для реакции aA + bB ⇄ cC + dD: Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b). Она нужна для оценки соотношения продуктов и реагентов в равновесной смеси.
Принцип Ле Шателье — правило, по которому система при изменении внешних условий смещает равновесие в направлении, ослабляющем это воздействие. С его помощью предсказывают результат изменения концентрации, давления или температуры. Это особенно полезно при выборе условий проведения химических процессов.
В обратимой реакции одновременно идут прямой и обратный процессы. Сначала, например, скорость прямой реакции обычно выше, потому что реагентов много, а продуктов мало; затем реагенты расходуются, и прямая реакция замедляется. Одновременно накапливающиеся продукты ускоряют обратную реакцию, пока скорости не сравняются.
Для реакции aA + bB ⇄ cC + dD в числитель выражения Kc помещают равновесные концентрации продуктов, а в знаменатель — реагентов: Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b). Степени нужны потому, что стехиометрические коэффициенты отражают, в каких соотношениях частицы участвуют в превращении. Чистые твёрдые вещества и жидкости не записывают: их эффективная концентрация практически постоянна.
Значение Kc показывает, какая часть равновесной смеси приходится на продукты по сравнению с реагентами. Большое значение обычно означает преимущественное содержание продуктов, малое — реагентов. При одной и той же температуре изменение начальных концентраций меняет положение конкретной смеси, но не само значение Kc, тогда как изменение температуры изменяет константу.
Смещение равновесия означает, что после внешнего воздействия система начинает переходить к новому составу. Если добавить реагент, система расходует его, поэтому усиливается прямое направление; удаление продукта даёт тот же результат. Для газов изменение давления достигается изменением объёма: при повышении давления выгоднее сторона с меньшим числом молей газа.
Температуру можно рассматривать как добавление или удаление теплоты. При повышении температуры усиливается эндотермическое направление, поглощающее теплоту, а при понижении — экзотермическое, выделяющее её. Катализатор снижает энергетический барьер сразу для прямой и обратной реакций, поэтому равновесие устанавливается быстрее, но его положение и Kc не меняются.
| Изменение условия | Направление смещения | Обоснование |
|---|---|---|
| Добавление реагента или удаление продукта | В сторону продуктов | Система расходует добавленный реагент или восполняет удалённый продукт. |
| Добавление продукта или удаление реагента | В сторону реагентов | Система расходует избыток продукта или восполняет недостаток реагента. |
| Повышение давления в газовой системе | В сторону меньшего числа молей газа | Так система уменьшает общий объём газовых частиц и ослабляет действие давления. |
| Повышение температуры при эндотермической прямой реакции | В сторону продуктов | Прямая реакция поглощает избыток теплоты. |
| Добавление катализатора | Равновесие не смещается | Катализатор одинаково ускоряет прямую и обратную реакции. |
Сначала определите, какое именно условие изменилось, а затем найдите направление, которое уменьшает это изменение. Для давления учитывайте только газообразные вещества и сравнивайте сумму их коэффициентов по обе стороны уравнения. При температурном воздействии необходимо знать тепловой эффект реакции.
Таблица показывает качественное направление смещения, но не говорит, насколько изменятся концентрации. Для точного расчёта используют выражение константы равновесия и равновесные концентрации. Если число молей газа слева и справа одинаково, изменение давления само по себе равновесие не смещает.
Для реакции N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ требуется записать выражение для Kc. Все вещества находятся в газовой фазе, поэтому их концентрации учитываются. Равновесные концентрации обозначим квадратными скобками.
Ответ: Kc = [NH₃]²/([N₂][H₂]³). Единичную степень у N₂ обычно не пишут, но она подразумевается. Использовать нужно именно равновесные, а не начальные концентрации.
Для реакции H₂ + I₂ ⇄ 2HI равновесные концентрации равны: [H₂] = 0,20 моль/л, [I₂] = 0,10 моль/л, [HI] = 0,60 моль/л. Нужно вычислить Kc. Числа выбраны для иллюстрации порядка вычислений.
Ответ: Kc = 18. При записи нельзя забывать квадрат концентрации HI, потому что перед HI стоит коэффициент 2. Полученное значение характеризует равновесную смесь именно при данной температуре.
Рассмотрим реакцию N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃, причём прямая реакция экзотермическая. Нужно определить направление смещения при повышении давления и температуры. Эти воздействия анализируют отдельно, поскольку они влияют на систему по разным причинам.
Ответ: при повышении давления равновесие смещается вправо, а при повышении температуры — влево. В первом случае учитывают число молей газа, во втором — тепловой эффект реакции. Одно и то же воздействие нельзя объяснять сразу двумя разными правилами.
Считать равновесие остановкой реакции — ошибка, потому что прямой и обратный процессы продолжаются. Её допускают, видя неизменность концентраций и принимая её за отсутствие превращений. Проверьте себя вопросом: равны ли скорости реакций, а не равны ли нулю?
Записывать в Kc начальные концентрации или забывать степени означает неверно описывать равновесную смесь. Ошибка возникает, когда коэффициенты уравнения не связывают с формулой константы. Сначала подчеркните слово равновесные, затем перенесите каждый коэффициент в показатель степени.
Включать чистые твёрдые вещества и жидкости в Kc не нужно. Их концентрации принимают постоянными, поэтому они уже учтены в значении константы. Проверьте агрегатное состояние каждого участника реакции перед составлением формулы.
Считать, что катализатор смещает равновесие или меняет Kc, неправильно. Катализатор ускоряет оба направления, снижая энергетический барьер для каждого из них. Если изменилось только время достижения равновесия, а не его состав, это действие катализатора.
Для понимания равновесия нужны знания об обратимых реакциях, химических уравнениях, стехиометрических коэффициентах и скорости реакции. Коэффициенты определяют вид формулы Kc и число молей газа, а скорости объясняют динамический характер равновесия.
Принцип равновесия применяют при выборе условий промышленного синтеза, например аммиака. Константа равновесия позволяет оценить состав смеси и понять, насколько образование продуктов термодинамически предпочтительно.
Почему химическое равновесие называют динамическим?
Прямая и обратная реакции при равновесии продолжаются одновременно. Их скорости равны, поэтому состав смеси внешне не меняется, хотя превращения веществ не прекращаются.
Означает ли равновесие, что концентрации реагентов и продуктов одинаковы?
Нет, равными становятся скорости прямой и обратной реакций, а не концентрации веществ. Состав смеси зависит от природы веществ, температуры и значения константы равновесия.
Почему твёрдые вещества не включают в выражение константы равновесия?
Концентрация чистого твёрдого вещества практически постоянна и не меняется при протекании реакции. Поэтому её постоянную величину включают в саму константу и в формуле Kc не записывают.
Как определить направление смещения равновесия при изменении давления?
Для газовой реакции сравнивают суммарное число молей газа слева и справа. При повышении давления равновесие смещается в сторону меньшего числа молей газа, а при понижении — в сторону большего.
Почему катализатор не изменяет константу равновесия?
Катализатор снижает энергию активации прямой и обратной реакций. Поэтому он ускоряет достижение равновесия, но не меняет соотношение веществ в равновесной смеси и значение Kc.
§ 24. Химическое равновесие. Константа равновесия. Принцип Ле Шателье
