3.7. Смещение химического равновесия

Определения и обозначения

Смещение химического равновесия — изменение соотношения скоростей прямой и обратной реакций, приводящее к новому равновесному составу. Состав меняется не мгновенно: этот термин помогает описать переход системы от одного равновесного состояния к другому после воздействия.

Принцип Ле Шателье — правило, по которому равновесие смещается в сторону, ослабляющую внешнее воздействие. С его помощью можно заранее оценить, как изменится состав системы при изменении концентрации, давления или температуры.

Константа химического равновесия — величина, зависящая от температуры и характеризующая соотношение концентраций веществ в равновесной системе. Она позволяет количественно описывать равновесие и сравнивать его положение при разных температурах.

Катализатор в равновесной системе — вещество, ускоряющее прямую и обратную реакции, но не меняющее положение равновесия. Это различие помогает отделить влияние на скорость от влияния на состав смеси.

Как это устроено

При изменении условий скорости прямой и обратной реакций изменяются неодинаково, потому что на каждую реакцию воздействие влияет по-своему. Например, добавленный реагент чаще участвует в прямой реакции, и её скорость возрастает. Пока скорости не сравнялись, количество веществ меняется; когда они снова становятся равными, устанавливается новое динамическое равновесие.

Если добавить реагент, его концентрация возрастёт, и система будет расходовать избыток, смещаясь в сторону продуктов. Если удалить продукт, система также будет образовывать его, чтобы частично компенсировать потерю. При добавлении продукта или удалении реагента направление будет обратным. Чистые твёрдые вещества и жидкости обычно не включают в выражение константы равновесия: их концентрация практически не меняется при изменении количества вещества.

Давление имеет значение для равновесия газов, поскольку при сжатии в одном и том же объёме возрастает концентрация газообразных веществ. Система ослабляет это воздействие, смещаясь в сторону, где меньше молей газа. Если число молей газа в обеих частях уравнения одинаково, изменение давления не даёт преимущества ни одному направлению. Для реакций с жидкостями и твёрдыми веществами давление обычно не вызывает заметного смещения.

Нагревание можно рассматривать как добавление теплоты. Поэтому равновесие смещается в направлении, поглощающем тепло, то есть эндотермическом; охлаждение благоприятствует выделению тепла — экзотермическому направлению. Температура меняет не только состав смеси, но и константу равновесия. Изменения концентрации и давления меняют состав, однако при неизменной температуре константа остаётся прежней.

Катализатор снижает энергетический барьер реакции и ускоряет как прямой, так и обратный процессы. Благодаря этому равенство их скоростей достигается быстрее. Но катализатор не делает одно направление предпочтительным, поэтому новый равновесный состав не возникает: система быстрее приходит к тому же состоянию, которое установилось бы без катализатора.

Влияние внешних воздействий на химическое равновесие

Сначала определите, какое воздействие оказано, затем примените соответствующее правило и проверьте, есть ли условия для смещения. Для давления сравните именно числа молей газов, а для температуры установите тепловой эффект направления реакции. Таблица помогает предсказать направление, но не показывает, насколько сильно изменится состав.

Разбор задач

Добавление водорода

Для равновесия N₂(г) + 3H₂(г) ⇄ 2NH₃(г) определим, как изменится система при добавлении водорода. Важно не предполагать, что обратная реакция прекращается: меняется лишь соотношение скоростей. Рассуждаем по принципу Ле Шателье.

1. Водород находится в левой части уравнения и является реагентом.
2. Его добавление увеличивает концентрацию, поэтому скорость прямой реакции возрастает.
3. Система расходует часть избытка H₂, смещаясь вправо, к образованию NH₃.

Ответ: равновесие сместится в сторону аммиака; его равновесное количество увеличится.

Увеличение давления

Для той же реакции N₂(г) + 3H₂(г) ⇄ 2NH₃(г) выясним влияние повышения давления. Сжатие увеличивает концентрации газов, но направление смещения определяют не продукты сами по себе, а число газовых молей по сторонам уравнения. Сравним эти числа.

1. Слева приходится 1 моль N₂ и 3 моля H₂, всего 4 моля газа.
2. Справа образуются 2 моля NH₃, то есть число молей газа меньше.
3. При повышении давления система смещается к стороне с меньшим числом молей газа.

Ответ: равновесие смещается вправо, поэтому образование аммиака становится более выгодным. Считать молекулы по уравнению нужно с учётом коэффициентов, а не только названий веществ.

Температура и катализатор в синтезе SO₃

В реакции 2SO₂(г) + O₂(г) ⇄ 2SO₃(г) + Q прямое направление экзотермическое: теплота Q указана среди продуктов. Определим отдельно влияние нагревания и катализатора. Это позволяет не смешивать изменение выхода продукта со скоростью установления равновесия.

1. Повышение температуры соответствует добавлению теплоты.
2. Чтобы ослабить нагревание, равновесие смещается в эндотермическом направлении — влево, к SO₂ и O₂.
3. Равновесный выход SO₃ при нагревании уменьшается.
4. Катализатор ускоряет прямую и обратную реакции, но не меняет равновесное соотношение веществ.

Ответ: нагревание уменьшает равновесное количество SO₃. Катализатор не меняет равновесный выход SO₃, но помогает быстрее достичь равновесия.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что при смещении равновесия реакция идёт только в одном направлении. Это возникает из-за слов «смещается вправо» или «влево», хотя они обозначают преобладающее изменение состава, а не остановку одной реакции. Проверка: помните, что обе реакции продолжаются, но временно имеют разные скорости.

Ошибка: утверждать, что повышение давления всегда сдвигает равновесие к продуктам. Так думают, если воспринимают давление как способ «сжать» систему, не сравнивая части уравнения. Проверка: посчитайте коэффициенты только у газов слева и справа; направление зависит от того, где газовых молей меньше.

Ошибка: приписывать катализатору изменение равновесного состава. Путаница появляется потому, что после его добавления реакция действительно протекает быстрее. Проверка: разделите вопрос о скорости и вопрос о положении равновесия — катализатор ускоряет достижение состояния, но не меняет состав в нём.

Ошибка: считать, что изменение концентрации или давления меняет константу равновесия. Эти воздействия способны изменить состав смеси, но при неизменной температуре значение константы сохраняется. Проверка: сначала выясните, изменилась ли температура; именно она определяет изменение константы.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в смещении равновесия, нужно знать обратимые реакции и динамическое равновесие: они объясняют, почему процессы продолжаются после того, как состав перестал меняться. Выражение константы равновесия помогает количественно описывать это состояние и отличать изменение состава от изменения самой константы. Принцип смещения применяют при выборе условий химического производства: с его помощью оценивают, как температура, давление и концентрации повлияют на выход нужного продукта.

Что запомнить

• Равновесие смещается в сторону, ослабляющую внешнее воздействие.
• Добавление вещества смещает равновесие в сторону его расходования.
• Изменение давления существенно, если число молей газа по сторонам уравнения различается.
• При повышении температуры равновесие смещается в эндотермическом направлении.
• Температура изменяет константу равновесия.
• Катализатор не изменяет положение равновесия, но ускоряет его достижение.