"Химия (углублённый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Дроздов А.А. и др./ Под ред. Лунина В.В.
Химическое равновесие устанавливается в обратимой реакции, когда скорости прямого и обратного процессов становятся одинаковыми. Состав смеси при этом не меняется, но превращения частиц продолжаются. Константа равновесия выражает соотношение равновесных концентраций продуктов и исходных веществ с учётом коэффициентов реакции. По её величине судят, какие вещества преобладают в смеси при заданной температуре; для гетерогенных реакций чистые твёрдые вещества и жидкости в выражение не входят.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Химическое равновесие — состояние обратимой реакции, при котором концентрации веществ макроскопически не меняются, хотя превращения продолжаются. Иными словами, состав смеси остаётся постоянным для наблюдателя, но на уровне частиц процесс не остановлен. Понятие равновесия позволяет описать конечный состав системы, в которой возможны реакции в обе стороны.
Динамическое равновесие — равенство скоростей прямой и обратной реакций при продолжающемся превращении частиц. Это объясняет, почему количество каждого вещества остаётся постоянным: его образование компенсируется расходованием в противоположном процессе. Термин помогает отличать равновесие от ситуации, когда реакция просто прекратилась.
Константа равновесия — величина, выраженная через равновесные концентрации продуктов и исходных веществ, возведённые в степени, соответствующие коэффициентам уравнения реакции. Для её обозначения обычно используют K. Эта величина нужна, чтобы характеризовать равновесный состав и сравнивать его для разных условий.
Гомогенное равновесие устанавливается между веществами в одной фазе, например только в газовой смеси. Гетерогенное равновесие возникает между веществами в разных фазах, например твёрдым веществом и газом. Различие важно при записи K: чистые твёрдые вещества и жидкости в выражение не включают.
В начале обратимой реакции исходных веществ много, а продуктов мало, поэтому прямой процесс идёт быстрее обратного. По мере расходования исходных веществ столкновения частиц, ведущие к их превращению, происходят реже, и скорость прямой реакции уменьшается. Одновременно накапливаются продукты, из которых могут образовываться исходные вещества, поэтому обратный процесс ускоряется. В итоге скорости сближаются и становятся одинаковыми.
Равенство скоростей означает, что за один и тот же промежуток времени прямая и обратная реакции дают одинаковые изменения количества веществ. Поэтому общий состав смеси не меняется, хотя отдельные частицы продолжают переходить из одного вещества в другое. Концентрации при этом вовсе не обязаны быть равными: равновесие устанавливается при таком соотношении веществ, которое соответствует конкретной реакции и условиям. Если бы оба процесса остановились, равенство скоростей было бы нулевым, а динамического обмена частицами не происходило бы.
Для реакции aA + bB ⇄ cC + dD выражение константы записывают так: K = [C]ᶜ[D]ᵈ/([A]ᵃ[B]ᵇ). Продукты помещают в числитель, исходные вещества — в знаменатель; квадратные скобки обозначают равновесные концентрации. Показатели степеней берут из коэффициентов уравнения, поскольку они задают стехиометрические соотношения превращения веществ. Коэффициент 1 обычно не пишут, но он соответствует первой степени.
В гетерогенной системе чистые твёрдые вещества и жидкости не включают в выражение K. Их содержание в чистой фазе не влияет на равновесие так, как концентрации растворённых или газообразных участников: активность такой фазы принимают постоянной. Поэтому, например, в равновесии CaCO₃(тв) ⇄ CaO(тв) + CO₂(г) в выражении остаётся только газообразный компонент. Это правило упрощает запись и позволяет сосредоточиться на веществах, концентрации которых могут изменяться.
Большое значение K означает, что в равновесной смеси соотношение обычно смещено в сторону продуктов; малое — что преобладают исходные вещества. Но K не сообщает, насколько быстро система достигает этого состава: скорость и положение равновесия — разные характеристики. Значение константы относится к заданной температуре и конкретной записи уравнения; при изменении температуры оно может измениться. Для обратной реакции выражение константы переворачивается, поэтому её значение становится обратным исходному.
| Случай | Выражение или правило | Что важно учитывать |
|---|---|---|
| Гомогенная реакция | K = [продукты] / [исходные вещества], с учётом коэффициентов | В выражении участвуют равновесные концентрации веществ одной фазы. |
| Степени концентраций | Для aA + bB ⇄ cC + dD: K = [C]ᶜ[D]ᵈ/([A]ᵃ[B]ᵇ) | Показатели степеней совпадают с коэффициентами уравнения. |
| Гетерогенное равновесие | Чистые твёрдые вещества и жидкости не записывают | Их постоянная активность учтена в K. |
| Большое и малое значение константы | Большое K — преобладают продукты; малое K — исходные вещества | Константа показывает равновесный состав, а не скорость реакции. |
| Обратная реакция | K обратной реакции = 1/K прямой реакции | Числитель и знаменатель исходного выражения меняются местами. |
Сначала определите, какие вещества являются продуктами, и найдите коэффициенты уравнения, затем проверьте, нет ли среди участников чистых твёрдых веществ или жидкостей. По строке о величине K можно оценить преобладающую сторону равновесия, но не скорость реакции. Если уравнение записано в обратном направлении, используйте обратное значение константы.
Для реакции H₂ + I₂ ⇄ 2HI заданы [H₂] = 0,20 моль/л, [I₂] = 0,10 моль/л, [HI] = 0,60 моль/л. Требуется записать выражение константы и вычислить её значение. Степень для HI равна двум, потому что коэффициент перед ним в уравнении — 2. У водорода и йода коэффициенты равны единице.
Ответ: K = 18. Значение больше единицы согласуется с преобладанием HI в равновесной смеси по сравнению с исходными веществами.
В реакции N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ начальные концентрации N₂ и H₂ равны 1,0 и 3,0 моль/л, а аммиака вначале нет. К равновесию [NH₃] стала 0,80 моль/л. По уравнению на образование двух молей NH₃ расходуется один моль N₂ и три моля H₂, поэтому изменение концентраций связываем через коэффициенты. Это позволяет восстановить равновесные количества оставшихся реагентов.
Ответ: [N₂] = 0,60 моль/л, [H₂] = 1,80 моль/л, [NH₃] = 0,80 моль/л; K ≈ 0,183.
Для равновесия CaCO₃(тв) ⇄ CaO(тв) + CO₂(г) чистые твёрдые вещества не входят в выражение константы. Поэтому K = [CO₂] при использовании концентрационного выражения. Чтобы определить направление изменения состава исходной смеси, сравнивают её реакционное отношение Q с K: Q рассчитывают по текущим концентрациям, используя ту же форму, что и для K.
Ответ: K = [CO₂]равн. Численное направление изменения определяется сравнением заданного Q с K: при недостатке CO₂ реакция идёт к его образованию, при избытке — к образованию CaCO₃.
Считать, что реакции при равновесии прекратились. Так думают, потому что состав смеси перестаёт заметно меняться. Однако прямой и обратный процессы продолжаются, а компенсируют друг друга. Проверьте себя: в равновесии должны совпадать скорости обоих процессов, а не быть равными нулю.
Неверно выбирать степени концентраций. Иногда показатели степеней принимают за число молекул или ставят произвольно. Их задают коэффициенты уравнения реакции, поэтому перед записью K проверьте, что уравнение уравнено и каждая степень соответствует коэффициенту вещества.
Включать чистые твёрдые вещества и жидкости в K. Их записывают по привычке, потому что они указаны среди участников реакции. Но активность чистой фазы постоянна и уже учтена в константе. Сверьте агрегатные состояния: чистые твёрдые вещества и жидкости из выражения убирают.
Считать, что большое K означает высокую скорость или не зависит от температуры. Это смешивает равновесный состав с кинетикой реакции. K характеризует положение равновесия и при изменении температуры может изменяться. Чтобы проверить вывод, спросите себя, идёт ли речь о скорости или о соотношении концентраций в равновесной смеси.
Для понимания равновесия нужны знания об обратимых реакциях, уравнивании химических уравнений, скорости прямой и обратной реакций и концентрации вещества. Коэффициенты уравнения помогают составить выражение K и рассчитать изменения концентраций. Позже константа понадобится при изучении смещения равновесия и принципа Ле Шателье: с её помощью сравнивают текущее состояние смеси с равновесным. Она также используется в расчётах состава равновесных смесей.
Почему равновесие называют динамическим, если состав смеси не меняется?
В равновесии прямая и обратная реакции продолжаются одновременно. Частицы превращаются, но за одинаковое время в каждом направлении расходуется и образуется одинаковое количество веществ, поэтому состав смеси макроскопически не меняется.
Обязательно ли равновесные концентрации исходных веществ и продуктов равны?
Нет, равными должны быть скорости прямой и обратной реакций, а не концентрации веществ. Соотношение концентраций зависит от самой реакции и температуры.
Как определить степени концентраций в выражении константы равновесия?
Нужно взять коэффициенты уравнения реакции: они становятся показателями степеней соответствующих концентраций. Концентрации продуктов записывают в числителе, а исходных веществ — в знаменателе.
Почему твёрдые вещества не записывают в выражение константы?
Концентрация чистого твёрдого вещества при данной температуре постоянна. Её постоянный вклад уже учтён в значении константы, поэтому отдельно такое вещество в выражении не указывают.
Что можно понять о составе смеси по величине константы равновесия?
Большое значение K обычно означает, что в равновесной смеси преобладают продукты, а малое — исходные вещества. Это не показывает скорость реакции: K характеризует состав равновесной смеси при заданной температуре.
§ 43. Химическое равновесие. Константа равновесия. . .
