9. Szybkość reakcji chemicznej. Równowaga chemiczna
9.2. Równowaga chemiczna i jej przemieszczenie
Większość reakcji chemicznych jest odwracalna, tj. jednocześnie przepływają zarówno w kierunku powstawania produktów, jak i w kierunku ich rozkładu (od lewej do prawej i od prawej do lewej).
Przykładowe równania reakcji dla procesów odwracalnych:
N 2 + 3H 2 ⇄ t °, p, kat. 2NH 3
2SO 2 + O 2 ⇄ t ° , p , kat 2SO 3
H 2 + I 2 ⇄ t ° 2HI
Reakcje odwracalne charakteryzują się szczególnym stanem zwanym stanem równowagi chemicznej.
Równowaga chemiczna- jest to stan układu, w którym szybkości reakcji do przodu i do tyłu zrównują się. W miarę zbliżania się do równowagi chemicznej szybkość reakcji naprzód i stężenie reagentów maleją, podczas gdy reakcja odwrotna i stężenie produktów wzrastają.
W stanie równowagi chemicznej w jednostce czasu powstaje tyle produktu, ile jest on rozkładany. Dzięki temu stężenia substancji w stanie równowagi chemicznej nie zmieniają się w czasie. Nie oznacza to jednak wcale, że stężenia równowagowe lub masy (objętości) wszystkich substancji są koniecznie sobie równe (patrz ryc. 9.8 i 9.9). Równowaga chemiczna to równowaga dynamiczna (mobilna), która może reagować na wpływy zewnętrzne.
Przejście układu równowagi z jednego stanu równowagi do drugiego nazywa się przesunięciem lub przesunięcie równowagi. W praktyce mówi się o przesunięciu równowagi w stronę produktów reakcji (w prawo) lub w stronę substancji wyjściowych (w lewo); reakcja do przodu to taka, która zachodzi od lewej do prawej, a reakcja odwrotna zachodzi od prawej do lewej. Stan równowagi pokazują dwie przeciwnie skierowane strzałki: ⇄.
Zasada przesuwania równowagi zostało sformułowane przez francuskiego naukowca Le Chateliera (1884): wpływ zewnętrzny na układ znajdujący się w równowadze prowadzi do przesunięcia tej równowagi w kierunku osłabiającym działanie wpływu zewnętrznego
Sformułujmy podstawowe zasady przesuwania równowagi.
Efekt koncentracji: gdy stężenie substancji wzrasta, równowaga przesuwa się w stronę jej zużycia, a gdy maleje, w stronę jej powstawania.
Na przykład wraz ze wzrostem stężenia H2 w odwracalnej reakcji
H 2 (g) + I 2 (g) ⇄ 2HI (g)
szybkość reakcji naprzód, w zależności od stężenia wodoru, wzrośnie. W rezultacie równowaga przesunie się w prawo. Wraz ze spadkiem stężenia H 2 szybkość reakcji do przodu będzie się zmniejszać, w wyniku czego równowaga procesu przesunie się w lewo.
Wpływ temperatury: Gdy temperatura wzrasta, równowaga przesuwa się w stronę reakcji endotermicznej, a gdy temperatura spada, przesuwa się w stronę reakcji egzotermicznej.
Należy pamiętać, że wraz ze wzrostem temperatury wzrasta szybkość reakcji zarówno egzo-, jak i endotermicznej, ale reakcja endotermiczna wzrasta wielokrotnie, dla czego E a jest zawsze większe. Wraz ze spadkiem temperatury szybkość obu reakcji maleje, ale znowu większa liczba razy - endotermiczna. Wygodnie jest to zilustrować wykresem, na którym wartość prędkości jest proporcjonalna do długości strzałek, a równowaga przesuwa się w kierunku dłuższej strzałki.
Wpływ ciśnienia: Zmiana ciśnienia wpływa na stan równowagi tylko wtedy, gdy w reakcji biorą udział gazy i nawet wtedy, gdy substancja gazowa znajduje się tylko po jednej stronie równania chemicznego. Przykłady równań reakcji:
- ciśnienie wpływa na przesunięcie równowagi:
3H 2 (g) + N 2 (g) ⇄ 2NH 3 (g),
CaO (tv) + CO 2 (g) ⇄ CaCO 3 (tv);
- ciśnienie nie wpływa na przesunięcie równowagi:
Cu (tv) + S (tv) = CuS (tv),
NaOH (roztwór) + HCl (roztwór) = NaCl (roztwór) + H2O (l).
Gdy ciśnienie maleje, równowaga przesuwa się w stronę powstania większej ilości chemicznej substancji gazowych, a gdy wzrasta, równowaga przesuwa się w stronę powstawania mniejszej ilości chemicznej substancji gazowych. Jeżeli ilości chemiczne gazów po obu stronach równania są takie same, to ciśnienie nie wpływa na stan równowagi chemicznej:
H2 (g) + Cl2 (g) = 2HCl (g).
Łatwo to zrozumieć, biorąc pod uwagę, że efekt zmiany ciśnienia jest podobny do efektu zmiany stężenia: gdy ciśnienie wzrasta n razy, stężenie wszystkich substancji w równowadze wzrasta o tę samą wielkość (i odwrotnie) .
Wpływ objętości układu reakcyjnego: zmiana objętości układu reakcyjnego wiąże się ze zmianą ciśnienia i wpływa jedynie na stan równowagi reakcji z udziałem substancji gazowych. Zmniejszenie objętości oznacza wzrost ciśnienia i przesuwa równowagę w kierunku tworzenia mniejszej ilości gazów chemicznych. Wzrost objętości układu prowadzi do spadku ciśnienia i przesunięcia równowagi w kierunku powstania większej ilości chemicznej substancji gazowych.
Wprowadzenie katalizatora do układu równowagowego lub zmiana jego charakteru nie powoduje przesunięcia równowagi (nie zwiększa wydajności produktu), gdyż katalizator w równym stopniu przyspiesza reakcje do przodu i do tyłu. Wynika to z faktu, że katalizator w równym stopniu zmniejsza energię aktywacji procesów do przodu i do tyłu. Dlaczego więc używają katalizatora w procesach odwracalnych? Faktem jest, że zastosowanie katalizatora w procesach odwracalnych sprzyja szybkiemu osiągnięciu równowagi, a to zwiększa wydajność produkcji przemysłowej.
Konkretne przykłady wpływu różnych czynników na przesunięcie równowagi podano w tabeli. 9.1 dla reakcji syntezy amoniaku zachodzącej z wydzieleniem ciepła. Innymi słowy, reakcja naprzód jest egzotermiczna, a reakcja odwrotna jest endotermiczna.
Tabela 9.1
Wpływ różnych czynników na zmianę równowagi reakcji syntezy amoniaku
| Czynnik wpływający na układ równowagi | Kierunek przesunięcia reakcji równowagowej 3 H 2 + N 2 ⇄ t, p, kat. 2 NH 3 + Q |
|---|---|
| Wzrost stężenia wodoru, s (H 2) | Równowaga przesuwa się w prawo, system reaguje zmniejszeniem c (H 2) |
| Spadek stężenia amoniaku, s (NH 3)↓ | Równowaga przesuwa się w prawo, układ reaguje wzrostem c (NH 3) |
| Wzrost stężenia amoniaku, s (NH 3) | Równowaga przesuwa się w lewo, system reaguje zmniejszeniem c (NH 3) |
| Spadek stężenia azotu, s (N 2)↓ | Równowaga przesuwa się w lewo, system reaguje zwiększeniem c (N 2) |
| Kompresja (zmniejszenie objętości, wzrost ciśnienia) | Równowaga przesuwa się w prawo, w kierunku zmniejszania się objętości gazów |
| Ekspansja (wzrost objętości, spadek ciśnienia) | Równowaga przesuwa się w lewo, w stronę rosnącej objętości gazu |
| Zwiększone ciśnienie | Równowaga przesuwa się w prawo, w stronę mniejszej objętości gazu |
| Obniżone ciśnienie | Równowaga przesuwa się w lewo, w kierunku większej objętości gazów |
| Wzrost temperatury | Równowaga przesuwa się w lewo, w kierunku reakcji endotermicznej |
| Spadek temperatury | Równowaga przesuwa się w prawo, w kierunku reakcji egzotermicznej |
| Dodanie katalizatora | Bilans się nie zmienia |
Przykład 9.3. W stanie równowagi procesowej
2SO 2 (g) + O 2 (g) ⇄ 2SO 3 (g)
stężenia substancji (mol/dm 3) SO 2, O 2 i SO 3 wynoszą odpowiednio 0,6, 0,4 i 0,2. Znajdź początkowe stężenia SO 2 i O 2 (początkowe stężenie SO 3 wynosi zero).
Rozwiązanie. Dlatego podczas reakcji zużywane są SO2 i O2
c na zewnątrz (SO 2) = c równe (SO 2) + c na zewnątrz (SO 2),
c na zewnątrz (O 2) = c równe (O 2) + c na zewnątrz (O 2).
Wartość c wydatkowanego określa się za pomocą c (SO 3):
x = 0,2 mola/dm3.
cout (SO 2) = 0,6 + 0,2 = 0,8 (mol/dm 3).
y = 0,1 mol/dm3.
cout (O 2) = 0,4 + 0,1 = 0,5 (mol/dm 3).
Odpowiedź: 0,8 mol/dm 3 SO 2; 0,5 mola/dm 3 O 2.
Podczas wykonywania zadań egzaminacyjnych często mylony jest wpływ różnych czynników z jednej strony na szybkość reakcji, a z drugiej na przesunięcie równowagi chemicznej.
Dla procesu odwracalnego
wraz ze wzrostem temperatury wzrasta szybkość reakcji zarówno do przodu, jak i do tyłu; wraz ze spadkiem temperatury maleje szybkość reakcji zarówno do przodu, jak i do tyłu;
wraz ze wzrostem ciśnienia wzrasta szybkość wszystkich reakcji zachodzących z udziałem gazów, zarówno bezpośrednich, jak i odwrotnych. Wraz ze spadkiem ciśnienia maleje szybkość wszystkich reakcji zachodzących z udziałem gazów, zarówno bezpośrednich, jak i odwrotnych;
wprowadzenie katalizatora do układu lub zastąpienie go innym katalizatorem nie powoduje zmiany równowagi.
Przykład 9.4. Zachodzi proces odwracalny, opisany równaniem
N 2 (g) + 3H 2 (g) ⇄ 2NH 3 (g) + Q
Zastanów się, które czynniki: 1) zwiększają szybkość syntezy reakcji amoniaku; 2) przesuń wagę w prawo:
a) spadek temperatury;
b) wzrost ciśnienia;
c) spadek stężenia NH3;
d) zastosowanie katalizatora;
e) wzrost stężenia N2.
Rozwiązanie. Czynniki b), d) i e) zwiększają szybkość reakcji syntezy amoniaku (a także wzrost temperatury, zwiększenie stężenia H 2); przesuń wagę w prawo - a), b), c), e).
Odpowiedź: 1) b, d, d; 2) a, b, c, d.
Przykład 9.5. Poniżej znajduje się diagram energetyczny reakcji odwracalnej
Wypisz wszystkie prawdziwe stwierdzenia:
a) reakcja odwrotna przebiega szybciej niż reakcja postępowa;
b) wraz ze wzrostem temperatury szybkość reakcji odwrotnej wzrasta więcej razy niż reakcja naprzód;
c) zachodzi bezpośrednia reakcja z absorpcją ciepła;
d) współczynnik temperaturowy γ jest większy dla reakcji odwrotnej.
Rozwiązanie.
a) Stwierdzenie jest poprawne, gdyż E arr = 500 − 300 = 200 (kJ) jest mniejsze niż E arr = 500 − 200 = 300 (kJ).
b) Twierdzenie jest błędne; szybkość reakcji bezpośredniej, dla której E a jest większe, wzrasta większą liczbę razy.
c) Stwierdzenie jest poprawne, Q pr = 200 − 300 = −100 (kJ).
d) Twierdzenie jest błędne, γ jest większe dla reakcji bezpośredniej, w którym to przypadku E a jest większe.
Odpowiedź: a), c).
Reakcje chemiczne mogą być odwracalne lub nieodwracalne.
te. jeśli jakaś reakcja A + B = C + D jest nieodwracalna, oznacza to, że reakcja odwrotna C + D = A + B nie zachodzi.
czyli np. jeśli dana reakcja A + B = C + D jest odwracalna, oznacza to, że zarówno reakcja A + B → C + D (bezpośrednia), jak i reakcja C + D → A + B (odwrotna) zachodzą jednocześnie ).
Zasadniczo, ponieważ Występują zarówno reakcje bezpośrednie, jak i odwrotne; w przypadku reakcji odwracalnych zarówno substancje po lewej stronie równania, jak i substancje po prawej stronie równania można nazwać odczynnikami (substancjami wyjściowymi). To samo tyczy się produktów.
Dla każdej reakcji odwracalnej możliwa jest sytuacja, gdy szybkości reakcji w przód i w tył są równe. Ten stan nazywa się stan równowagi.
W równowadze stężenia zarówno wszystkich reagentów, jak i wszystkich produktów są stałe. Nazywa się stężenia produktów i reagentów w stanie równowagi stężenia równowagowe.
Przesunięcie równowagi chemicznej pod wpływem różnych czynników
Ze względu na zewnętrzne wpływy na układ, takie jak zmiany temperatury, ciśnienia lub stężenia substancji wyjściowych lub produktów, równowaga układu może zostać zakłócona. Jednak po ustaniu tego wpływu zewnętrznego układ po pewnym czasie przejdzie do nowego stanu równowagi. Takie przejście układu z jednego stanu równowagi do innego stanu równowagi nazywa się przesunięcie (przesunięcie) równowagi chemicznej .
Aby móc określić, jak zmienia się równowaga chemiczna pod wpływem określonego rodzaju wpływu, wygodnie jest skorzystać z zasady Le Chateliera:
Jeżeli na układ znajdujący się w stanie równowagi zostanie wywarty wpływ zewnętrzny, wówczas kierunek przesunięcia równowagi chemicznej będzie pokrywał się z kierunkiem reakcji, która osłabia efekt oddziaływania.
Wpływ temperatury na stan równowagi
Kiedy zmienia się temperatura, zmienia się równowaga każdej reakcji chemicznej. Wynika to z faktu, że każda reakcja ma efekt termiczny. Co więcej, skutki termiczne reakcji do przodu i do tyłu są zawsze dokładnie przeciwne. Te. jeśli reakcja postępująca jest egzotermiczna i przebiega z efektem termicznym równym +Q, to reakcja odwrotna jest zawsze endotermiczna i ma efekt termiczny równy –Q.
Zatem zgodnie z zasadą Le Chateliera, jeśli podniesiemy temperaturę jakiegoś układu będącego w stanie równowagi, to równowaga przesunie się w stronę reakcji, podczas której temperatura maleje, tj. w kierunku reakcji endotermicznej. I podobnie, jeśli obniżymy temperaturę układu w stanie równowagi, równowaga przesunie się w kierunku reakcji, w wyniku czego temperatura wzrośnie, tj. w stronę reakcji egzotermicznej.
Rozważmy na przykład następującą reakcję odwracalną i wskaż, gdzie zmieni się jej równowaga wraz ze spadkiem temperatury:
Jak widać z powyższego równania, reakcja naprzód jest egzotermiczna, tj. W wyniku jego wystąpienia wydziela się ciepło. W związku z tym reakcja odwrotna będzie endotermiczna, to znaczy zachodzi wraz z absorpcją ciepła. Zgodnie z warunkiem temperatura zostanie obniżona, dlatego równowaga przesunie się w prawo, tj. w stronę reakcji bezpośredniej.
Wpływ stężenia na równowagę chemiczną
Wzrost stężenia odczynników zgodnie z zasadą Le Chateliera powinien prowadzić do przesunięcia równowagi w stronę reakcji, w wyniku której odczynniki ulegają zużyciu, tj. w stronę reakcji bezpośredniej.
I odwrotnie, jeśli zmniejszy się stężenie reagentów, wówczas równowaga przesunie się w kierunku reakcji, w wyniku której powstają reagenty, tj. strona reakcji odwrotnej (←).
Podobny efekt daje zmiana stężenia produktów reakcji. Jeżeli stężenie produktów wzrośnie, równowaga przesunie się w kierunku reakcji, w wyniku której produkty zostaną skonsumowane, tj. w stronę reakcji odwrotnej (←). Jeśli natomiast zmniejszy się stężenie produktów, wówczas równowaga przesunie się w stronę reakcji bezpośredniej (→), tak że stężenie produktów wzrośnie.
Wpływ ciśnienia na równowagę chemiczną
W przeciwieństwie do temperatury i stężenia, zmiany ciśnienia nie wpływają na stan równowagi każdej reakcji. Aby zmiana ciśnienia spowodowała przesunięcie równowagi chemicznej, sumy współczynników dla substancji gazowych po lewej i prawej stronie równania muszą być różne.
Te. z dwóch reakcji:
zmiana ciśnienia może wpłynąć na stan równowagi tylko w przypadku drugiej reakcji. Ponieważ suma współczynników przed wzorami substancji gazowych w przypadku pierwszego równania po lewej i prawej stronie jest taka sama (równa 2), a w przypadku drugiego równania jest inna (4 po prawej stronie) po lewej i 2 po prawej).
Stąd wynika w szczególności, że jeśli zarówno wśród reagentów, jak i produktów nie ma substancji gazowych, wówczas zmiana ciśnienia w żaden sposób nie wpłynie na bieżący stan równowagi. Na przykład ciśnienie nie będzie miało wpływu na stan równowagi reakcji:
Jeśli po lewej i prawej stronie ilość substancji gazowych będzie się różnić, to wzrost ciśnienia doprowadzi do przesunięcia równowagi w kierunku reakcji, podczas której zmniejsza się objętość gazów, a spadek ciśnienia doprowadzi do przesunięcia równowagi, w wyniku czego zwiększa się objętość gazów.
Wpływ katalizatora na równowagę chemiczną
Ponieważ katalizator w równym stopniu przyspiesza zarówno reakcje do przodu, jak i do tyłu, jego obecność lub brak nie ma żadnego efektu do stanu równowagi.
Jedyne, na co katalizator może wpływać, to szybkość przejścia układu ze stanu nierównowagi do stanu równowagi.
Wpływ wszystkich powyższych czynników na równowagę chemiczną podsumowano poniżej w ściągawce, którą można początkowo sprawdzić podczas wykonywania zadań związanych z równowagą. Nie będzie jednak możliwości wykorzystania go na egzaminie, dlatego po przeanalizowaniu kilku przykładów z jego pomocą warto się go nauczyć i przećwiczyć rozwiązywanie problemów z równowagą bez patrzenia na niego:
Oznaczenia: T - temperatura, P - ciśnienie, Z – stężenie, – wzrost, ↓ – spadek
|
T |
T - równowaga przesuwa się w stronę reakcji endotermicznej |
| ↓T - równowaga przesuwa się w stronę reakcji egzotermicznej | |
|
P |
P - równowaga przesuwa się w kierunku reakcji z mniejszą sumą współczynników przed substancjami gazowymi |
| ↓str - równowaga przesuwa się w kierunku reakcji z większą sumą współczynników przed substancjami gazowymi | |
|
C |
C (odczynnik) – równowaga przesuwa się w stronę reakcji bezpośredniej (w prawo) |
| ↓c (odczynnik) – równowaga przesuwa się w stronę reakcji odwrotnej (w lewo) | |
| C (produkt) – równowaga przesuwa się w stronę reakcji odwrotnej (w lewo) | |
| ↓c (produkt) – równowaga przesuwa się w stronę reakcji bezpośredniej (w prawo) | |
| Nie wpływa na równowagę!!! |
1. Wśród wszystkich znanych reakcji rozróżnia się reakcje odwracalne i nieodwracalne. Badając reakcje wymiany jonowej, wymieniono warunki, w jakich przebiegają one do końca. ().
Znane są także reakcje, które w danych warunkach nie dochodzą do końca. Na przykład, gdy dwutlenek siarki rozpuszcza się w wodzie, zachodzi reakcja: SO 2 + H 2 O→ H2SO3. Okazuje się jednak, że w roztworze wodnym może tworzyć się tylko pewna ilość kwasu siarkawego. Wyjaśnia to fakt, że kwas siarkowy jest delikatny i zachodzi reakcja odwrotna, tj. rozkład na tlenek siarki i wodę. W związku z tym reakcja ta nie przebiega do końca, ponieważ jednocześnie zachodzą dwie reakcje - prosty(między tlenkiem siarki i wodą) i odwracać(rozkład kwasu siarkowego). SO2+H2O↔ H 2 SO 3 .
Reakcje chemiczne zachodzące w danych warunkach we wzajemnie przeciwnych kierunkach nazywane są odwracalnymi.
2. Ponieważ szybkość reakcji chemicznych zależy od stężenia reagentów, to na początku szybkość reakcji bezpośredniej( υ pr) powinna być maksymalna, a prędkość reakcji odwrotnej ( υ arr.) jest równe zeru. Stężenie reagentów maleje z czasem, a stężenie produktów reakcji wzrasta. Dlatego szybkość reakcji w przód maleje, a szybkość reakcji odwrotnej wzrasta. W pewnym momencie szybkości reakcji w przód i w tył stają się równe:
We wszystkich reakcjach odwracalnych szybkość reakcji w przód maleje, szybkość reakcji odwrotnej rośnie, aż obie szybkości zrównają się i zostanie ustalony stan równowagi:
υ pr =υ przyr.
Stan układu, w którym szybkość reakcji postępującej jest równa szybkości reakcji odwrotnej, nazywa się równowagą chemiczną.
W stanie równowagi chemicznej stosunek ilościowy między reagentami i produktami reakcji pozostaje stały: ile cząsteczek produktu reakcji powstaje w jednostce czasu, tyle z nich ulega rozkładowi. Jednakże stan równowagi chemicznej zostaje zachowany tak długo jak nie zmieniają się warunki reakcji: stężenie, temperatura i ciśnienie.
Stan równowagi chemicznej opisuje się ilościowo prawo akcji masowej.
W stanie równowagi stosunek iloczynu stężeń produktów reakcji (w potęgach ich współczynników) do iloczynu stężeń reagentów (także w potęgach ich współczynników) jest wartością stałą, niezależną od początkowych stężeń substancji w reakcji mieszanina.
Ta stała nazywa się stała równowagi - k
Zatem dla reakcji: N 2 (G) + 3 H 2 (G) ↔ 2 NH 3 (G) + 92,4 kJ stałą równowagi wyraża się następująco:
υ 1 =υ 2
v 1 (bezpośrednia reakcja) = k 1 [ N 2 ][ H 2 ] 3 , gdzie– równowagowe stężenia molowe, = mol/l
υ 2 (reakcja) = k 2 [ N.H. 3 ] 2
k 1 [ N 2 ][ H 2 ] 3 = k 2 [ N.H. 3 ] 2
Kp = k 1 / k 2 = [ N.H. 3 ] 2 / [ N 2 ][ H 2 ] 3 – stała równowagi.
Równowaga chemiczna zależy od stężenia, ciśnienia, temperatury.
Zasadaokreśla kierunek mieszania równowagowego:
Jeśli na układ będący w równowadze zostanie wywarty wpływ zewnętrzny, wówczas równowaga w układzie przesunie się w kierunku przeciwnym do tego wpływu.
1) Wpływ koncentracji – w przypadku zwiększenia stężenia substancji wyjściowych równowaga przesuwa się w kierunku tworzenia produktów reakcji.
Na przykład,Kp = k 1 / k 2 = [ N.H. 3 ] 2 / [ N 2 ][ H 2 ] 3
Po dodaniu do mieszaniny reakcyjnej, na przykład azot, tj. wzrasta stężenie odczynnika, wzrasta mianownik w wyrażeniu na K, ale ponieważ K jest stałą, to aby spełnić ten warunek, licznik również musi wzrosnąć. W ten sposób wzrasta ilość produktu reakcji w mieszaninie reakcyjnej. W tym przypadku mówią o przesunięciu równowagi chemicznej w prawo, w kierunku produktu.
Zatem wzrost stężenia reagentów (ciekłych lub gazowych) przesuwa się w stronę produktów, tj. w stronę reakcji bezpośredniej. Wzrost stężenia produktów (ciekłych lub gazowych) przesuwa równowagę w stronę reagentów, tj. w kierunku odwrotnej reakcji.
Zmiana masy ciała stałego nie powoduje zmiany położenia równowagi.
2) Wpływ temperatury – wzrost temperatury przesuwa równowagę w kierunku reakcji endotermicznej.
A)N 2 (G) + 3H 2 (D) ↔ 2N.H. 3 (G) + 92,4 kJ (egzotermiczny - wydzielanie ciepła)
Wraz ze wzrostem temperatury równowaga przesunie się w stronę reakcji rozkładu amoniaku (←)
B)N 2 (G) +O 2 (D) ↔ 2NIE(G) – 180,8 kJ (endotermiczny – absorpcja ciepła)
Wraz ze wzrostem temperatury równowaga przesunie się w stronę reakcji tworzenia NIE (→)
3) Wpływ ciśnienia (tylko dla substancji gazowych) – wraz ze wzrostem ciśnienia równowaga przesuwa się w stronę formacjiI substancje zajmujące mniej o Jem.
N 2 (G) + 3H 2 (D) ↔ 2N.H. 3 (G)
1 V - N 2
3 V - H 2
2 V – N.H. 3
Wraz ze wzrostem ciśnienia ( P): przed reakcją4 V substancje gazowe → po reakcji2 Vsubstancje gazowe dlatego równowaga przesuwa się w prawo ( → )
Gdy ciśnienie wzrośnie na przykład 2-krotnie, objętość gazów zmniejszy się o tę samą ilość, a zatem stężenia wszystkich substancji gazowych wzrosną 2-krotnie. Kp = k 1 / k 2 = [ N.H. 3 ] 2 / [ N 2 ][ H 2 ] 3
W tym przypadku licznik wyrażenia K wzrośnie o 4 razy, a mianownik wynosi 16 razy, tj. równość zostanie naruszona. Aby je przywrócić, stężenie musi wzrosnąć amoniaki stężenia maleją azotIwodaUprzejmy. Bilans przesunie się w prawo.
Tak więc, gdy ciśnienie wzrasta, równowaga przesuwa się w kierunku zmniejszenia objętości, a gdy ciśnienie maleje, w kierunku wzrostu objętości.
Zmiana ciśnienia praktycznie nie ma wpływu na objętość substancji stałych i ciekłych, tj. nie zmienia ich stężenia. W konsekwencji równowaga reakcji, w których nie biorą udziału gazy, jest praktycznie niezależna od ciśnienia.
! Na przebieg reakcji chemicznej wpływają substancje - katalizatory. Ale w przypadku użycia katalizatora energia aktywacji zarówno reakcji do przodu, jak i do tyłu zmniejsza się o tę samą ilość, a zatem równowaga się nie zmienia.
Rozwiązywać problemy:
nr 1. Początkowe stężenia CO i O 2 w reakcji odwracalnej
2CO (g) + O 2 (g)↔ 2 CO 2 (g)
Odpowiednio 6 i 4 mol/l. Oblicz stałą równowagi, jeżeli stężenie CO2 w momencie równowagi wynosi 2 mol/l.
Nr 2. Reakcja przebiega zgodnie z równaniem
2SO 2 (g) + O 2 (g) = 2SO 3 (g) + Q
Wskaż, gdzie równowaga przesunie się, jeśli
a) zwiększyć ciśnienie
b) zwiększyć temperaturę
c) zwiększyć stężenie tlenu
d) wprowadzenie katalizatora?
Większość reakcji chemicznych jest odwracalna, to znaczy zachodzą jednocześnie w przeciwnych kierunkach. W przypadkach, gdy reakcje do przodu i do tyłu przebiegają z tą samą szybkością, zachodzi równowaga chemiczna.
Kiedy zachodzi równowaga chemiczna, liczba cząsteczek substancji tworzących układ przestaje się zmieniać i pozostaje stała w czasie w stałych warunkach zewnętrznych.
Stan układu, w którym szybkość reakcji naprzód jest równa szybkości reakcji odwrotnej, nazywa się równowagą chemiczną.
Na przykład równowaga reakcji H 2 (g) + I 2 (g) ⇆ 2HI (g) występuje, gdy w jednostce czasu powstaje dokładnie taka sama liczba cząsteczek jodowodoru w wyniku bezpośredniej reakcji, gdy rozkładają się one w odwrotny sposób reakcja na jod i wodór.
Zdolność reakcji do przebiegania w przeciwnych kierunkach nazywa się odwracalnością kinetyczną.
W równaniu reakcji odwracalność jest wskazywana przez dwie przeciwległe strzałki (⇆) zamiast znaku równości pomiędzy lewą i prawą stroną równania chemicznego.
Równowaga chemiczna jest dynamiczna (ruchoma). Kiedy zmieniają się warunki zewnętrzne, równowaga przesuwa się i powraca do stanu pierwotnego, jeśli warunki zewnętrzne uzyskują stałe wartości. Wpływ czynników zewnętrznych na równowagę chemiczną powoduje jej przesunięcie.
Położenie równowagi chemicznej zależy od następujących parametrów reakcji:
Temperatury;
Ciśnienie;
Stężenia.
Wpływ tych czynników na reakcję chemiczną jest zgodny ze schematem, który w sposób ogólny wyraził w 1884 r. francuski naukowiec Le Chatelier (ryc. 1).
Ryż. 1. Henri Louis Le Chatelier
Nowoczesne sformułowanie zasady Le Chateliera
Jeśli na układ będący w równowadze zostanie wywarty wpływ zewnętrzny, wówczas równowaga przesunie się w stronę, która osłabia ten wpływ.
1. Wpływ temperatury
W każdej reakcji odwracalnej jeden z kierunków odpowiada procesowi egzotermicznemu, a drugi procesowi endotermicznemu.
Przykład: przemysłowa produkcja amoniaku. Ryż. 2.
Ryż. 2. Instalacja do produkcji amoniaku
Reakcja syntezy amoniaku:
N 2 + 3H 2 ⇆ 2NH 3 + Q
Reakcja postępująca jest egzotermiczna, a reakcja odwrotna jest endotermiczna.
Wpływ zmian temperatury na położenie równowagi chemicznej podlega następującym zasadom.
Wraz ze wzrostem temperatury równowaga chemiczna przesuwa się w kierunku reakcji endotermicznej, a wraz ze spadkiem temperatury w kierunku reakcji egzotermicznej.
Aby przesunąć równowagę w stronę produkcji amoniaku, należy obniżyć temperaturę.
2. Wpływ ciśnienia
We wszystkich reakcjach z udziałem substancji gazowych, którym towarzyszy zmiana objętości na skutek zmiany ilości substancji podczas przejścia od substancji wyjściowych do produktów, na położenie równowagi wpływa ciśnienie w układzie.
Wpływ ciśnienia na położenie równowagi podlega następującym zasadom.
Wraz ze wzrostem ciśnienia równowaga przesuwa się w kierunku tworzenia substancji (inicjału lub produktów) o mniejszej objętości; wraz ze spadkiem ciśnienia równowaga przesuwa się w kierunku tworzenia substancji o większej objętości.
W reakcji syntezy amoniaku wraz ze wzrostem ciśnienia równowaga przesuwa się w stronę powstania amoniaku, ponieważ reakcja przebiega ze spadkiem objętości.
3. Efekt koncentracji
Wpływ koncentracji na stan równowagi podlega następującym regułom.
Gdy wzrasta stężenie jednej z substancji wyjściowych, równowaga przesuwa się w kierunku tworzenia produktów reakcji; Gdy stężenie jednego z produktów reakcji wzrasta, równowaga przesuwa się w kierunku tworzenia substancji wyjściowych.
W reakcji wytwarzającej amoniak, aby przesunąć równowagę w stronę produkcji amoniaku, konieczne jest zwiększenie stężenia wodoru i azotu.
Podsumowanie lekcji
Na lekcji dowiedziałeś się o pojęciu „równowaga chemiczna” i o tym, jak ją przesuwać, jakie warunki wpływają na przesunięcie równowagi chemicznej oraz jak działa „zasada Le Chateliera”.
Bibliografia
- Nowoszynski I.I., Nowoszynskaja N.S. Chemia. Podręcznik do edukacji ogólnej dla klasy 10. ustanowienie Poziom profilu. - M.: LLC TID „Russian Word - RS”, 2008. (§§ 24, 25)
- Kuznetsova N.E., Litvinova T.N., Levkin A.N. Chemia: klasa 11: Podręcznik dla uczniów szkół ogólnokształcących. ustanowienie (poziom profilu): w 2 częściach Część 2. M.: Ventana-Graf, 2008. (§ 24)
- Rudzitis G.E. Chemia. Podstawy chemii ogólnej. Klasa 11: edukacyjna. dla edukacji ogólnej uczelnia: poziom podstawowy/ G.E. Rudzitis, F.G. Feldmana. - M.: Edukacja, OJSC „Podręczniki moskiewskie”, 2010. (§ 13)
- Radetsky A.M. Chemia. Materiał dydaktyczny. 10-11 klas. - M.: Edukacja, 2011. (s. 96-98)
- Chomczenko I.D. Zbiór problemów i ćwiczeń z chemii dla szkoły średniej. - M .: RIA „Nowa fala”: Wydawnictwo Umerenkov, 2008. (s. 65-68)
- Hemi.nsu.ru ().
- Alhimikov.net ().
- Prosto-o-slognom.ru ().
Praca domowa
- Z. 65-66 nr 12.10-12.17 ze zbioru zadań i ćwiczeń z chemii dla szkoły średniej (Khomczenko I.D.), 2008.
- W jakim przypadku zmiana ciśnienia nie spowoduje przesunięcia równowagi chemicznej w reakcjach z udziałem substancji gazowych?
- Dlaczego katalizator nie pomaga w przesunięciu równowagi chemicznej?