Химическо равновесие: какво е това, как да се измести

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 05:17

Равновесието обикновено се разбира като специално състояние на система или тяло, когато всички въздействия, упражнявани върху него, се компенсират взаимно. Или изобщо отсъства. В химията концепцията за равновесие се прилага към реакциите, протичащи между различни вещества, или по-скоро към условията за тяхното възникване.

Концепцията за баланс

Химическите реакции имат много класификации според различни критерии, но като говорим за химическо равновесие, трябва да се помни кои са обратими и необратими реакции.

Ако в резултат на реакция се образуват продукти, които не взаимодействат помежду си, те говорят за необратими реакции, тоест вървят само в посока напред. Обикновено един от продуктите в тях е газообразно, слабо дисоцииращо или неразтворимо съединение. Например:

Pb(NO₃)₂ + 2ΗCl PbCl₂↓ + 2HNO 3

Na₂CO₃ + 2ΗCl 2NaCl + CO₂↑ + Η 2_O

NaOΗ + ΗCl NaCl + Η₂O

Продуктите на обратимите реакции могат да взаимодействат помежду си, образувайки по този начин изходните вещества, т.е.две противоположно насочени реакции протичат едновременно. Ако в даден момент от време, при определени условия, скоростта на предната реакция е равна на скоростта на обратната, тогава се установява химическо равновесие.

Трябва да се спомене, че такова равновесие се характеризира като динамично. С други думи, и двете реакции продължават, но концентрациите на всички нейни участници остават непроменени и се наричат равновесни.

Математически това състояние се изразява с помощта на равновесната константа (Kp). Нека има взаимодействие на вещества, описани с уравнението аΑ + bB сС + dD. За противоположни реакции може да се напишат формули за изчисляване на техните скорости чрез закона за действащите маси. Тъй като тези скорости ще бъдат равни в състояние на равновесие, е възможно да се изрази съотношението на скоростните константи на две противоположни реакции. Тук тя ще бъде числено равна на равновесната константа.

Стойността на K_r помага да се определи пълнотата на текущите реакции. Ако K_p<1, тогава реакцията в посока напред почти не протича. Ако К_р>1, тогава равновесието се измества към продуктите.

Видове равновесие

Химичното равновесие е вярно, очевидно и невярно. Знаците за истинско равновесие са:

• Ако няма външно влияние, то е непроменено във времето.
• Ако външните влияния се променят (това се отнася за температура, налягане и т.н.), тогава състоянието на системата също се променя. Но трябва само да върнете първоначалните стойности на условията,балансът се възстановява незабавно.
• Състоянието на истинско равновесие може да се постигне както от страна на продуктите на химичната реакция, така и от изходните вещества.

Ако поне едно от тези условия не е изпълнено, тогава казваме, че такова равновесие е очевидно (метастабилно). Ако състоянието на системата започне да се променя необратимо при промяна на външните условия, тогава такова равновесие се нарича фалшиво (или инхибирано). Пример за последното е реакцията на желязо с кислород.

Концепцията за равновесие е малко по-различна по отношение на термодинамиката и кинетиката. Термодинамичното равновесие се разбира като минималната стойност на енергията на Гибс за конкретна система. Истинското равновесие се характеризира с ΔG=0. И за състоянието, за което скоростите на предните и обратните реакции са изравнени, тоест v₁=v_{2, казват те, какво е равновесие - кинетично.}

принцип на Льо Шателие

Анри Льо Шателие изучава моделите на изместване на равновесието през 19-ти век, но той обобщава всички тези работи и формулира принципа на движещия се баланс по-късно Карл Браун:

ако една равновесна система се въздейства отвън, тогава балансът ще се измести в посока на намаляване на произведеното въздействие

С други думи, ако има някакво въздействие върху равновесната система, тя има тенденция да се промени по такъв начин, че това въздействие е минимално.

Изместване на равновесието

Нека разгледаме последствията от принципа на Льо Шателие, използвайки примера на уравнениетореакции:

N₂+ 3Η₂2NΗ₃+ Q.

Ако увеличите температурата, тогава равновесието ще се измести към ендотермична реакция. В този пример се отделя топлина, което означава, че директната реакция е екзотермична и равновесието ще се измести към изходните вещества.

Ако увеличите налягането, това ще доведе до изместване на равновесието към по-малки обеми газообразни вещества. В горния пример има 4 мола газообразни изходни материали и 2 мола газообразни продукти, което означава, че равновесието ще се измести към продуктите на реакцията.

Ако увеличите концентрацията на изходното вещество, равновесието ще се измести в посоката на директната реакция и обратно. По този начин, ако увеличите концентрацията на N₂ или Η₂, тогава равновесието ще се измести в посока напред, а ако амоняк - тогава в обратната посока.