7 что такое химическое равновесие

1.4.4. Обратимые и необратимые химические реакции. Химическое равновесие. Смещение химического равновесия под действием различных факторов.

Обратимые и необратимые химические реакции

Химические реакции бывают обратимые и необратимые.

Необратимыми реакциями называют такие реакции, которые идут только в одном (прямом →) направлении:

т.е. если некоторая реакция A + B = C + D необратима, это значит, что обратная реакция C + D = A + B не протекает.

Обратимые реакции – это такие реакции, которые идут как в прямом, так и в обратном направлении (⇄):

т.е., например, если некая реакция A + B = C + D обратима, это значит, что одновременно протекает как реакция A + B → C + D (прямая), так и реакция С + D → A + B (обратная).

По сути, т.к. протекают как прямая, так и обратная реакции, реагентами (исходными веществами) в случае обратимых реакций могут быть названы как вещества левой части уравнения, так и вещества правой части уравнения. То же самое касается и продуктов.

Однако, условно принято считать, что реагентами в каждом конкретном уравнении обратимой реакции являются те вещества, которые записаны в его левой части, а продуктами – те, что записаны в правой, т.е.:

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие

Для любой обратимой реакции возможна ситуация, когда скорость прямой и обратной реакций равны. Такое состояние называют состоянием равновесия.

В состоянии равновесия концентрации как всех реагентов, так и всех продуктов неизменны. Концентрации продуктов и реагентов в состоянии равновесия называют равновесными концентрациями.

Смещение химического равновесия под действием различных факторов

Вследствие таких внешних воздействий на систему, как изменение температуры, давления или концентрации исходных веществ или продуктов, равновесие системы может быть нарушено. Однако после прекращения этого внешнего воздействия система через некоторое время перейдет в новое состояние равновесия. Такой переход системы из одного равновесного состояния в другое равновесное состояние называют смещением (сдвигом) химического равновесия.

Для того чтобы уметь определять, каким образом сдвигается химическое равновесие при том или ином типе воздействия, удобно пользоваться принципом Ле Шателье:

Если на систему в состоянии равновесия оказать какое-либо внешнее воздействие, то направление смещения химического равновесия будет совпадать с направлением той реакции, которая ослабляет эффект от оказанного воздействия.

Влияние температуры на состояние равновесия

При изменении температуры равновесие любой химической реакции смещается. Связано это с тем, что любая реакция имеет тепловой эффект. При этом тепловые эффекты прямой и обратной реакции всегда прямо противоположны. Т.е. если прямая реакция является экзотермической и протекает с тепловым эффектом, равным +Q, то обратная реакция всегда эндотермична и имеет тепловой эффект, равный –Q.

Таким образом, в соответствии с принципом Ле Шателье, если мы повысим температуру некоторой системы, находящейся в состоянии равновесия, то равновесие сместится в сторону той реакции, при протекании которой температура понижается, т.е. в сторону эндотермической реакции. И аналогично, в случае, если мы понизим температуру системы в состоянии равновесия, равновесие сместится в сторону той реакции, в результате протекания которой температура будет повышаться, т.е. в сторону экзотермической реакции.

Например, рассмотрим следующую обратимую реакцию и укажем, куда сместится ее равновесие при понижении температуры:

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие

Как видно из уравнения выше, прямая реакция является экзотермической, т.е. в результате ее протекания выделяется тепло. Следовательно, обратная реакция будет эндотермической, то есть протекает с поглощением тепла. По условию температуру понижают, следовательно, смещение равновесия будет происходить вправо, т.е. в сторону прямой реакции.

Влияние концентрации на химическое равновесие

Повышение концентрации реагентов в соответствии с принципом Ле Шателье должно приводить к смещению равновесия в сторону той реакции, в результате которой реагенты расходуются, т.е. в сторону прямой реакции.

И наоборот, если концентрацию реагентов понижают, то равновесие будет смещаться в сторону той реакции, в результате которой реагенты образуются, т.е. сторону обратной реакции (←).

Аналогичным образом влияет и изменение концентрации продуктов реакции. Если повысить концентрацию продуктов, равновесие будет смещаться в сторону той реакции, в результате которой продукты расходуются, т.е. в сторону обратной реакции (←). Если же концентрацию продуктов, наоборот, понизить, то равновесие сместится в сторону прямой реакции (→), для того чтобы концентрация продуктов возросла.

Влияние давления на химическое равновесие

В отличие от температуры и концентрации, изменение давления оказывает влияние на состояние равновесия не каждой реакции. Для того чтобы изменение давления приводило к смещению химического равновесия, суммы коэффициентов перед газообразными веществами в левой и в правой частях уравнения должны быть разными.

Т.е. из двух реакций:

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие

изменение давления способно повлиять на состояние равновесия только в случае второй реакции. Поскольку сумма коэффициентов перед формулами газообразных веществ в случае первого уравнения слева и справа одинаковая (равна 2), а в случае второго уравнения – различна (4 слева и 2 справа).

Отсюда, в частности, следует, что если среди и реагентов, и продуктов отсутствуют газообразные вещества, то изменение давления никак не повлияет на текущее состояние равновесия. Например, давление никак не повлияет на состояние равновесия реакции:

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие

Если же слева и справа количество газообразных веществ различается, то повышение давления будет приводить к смещению равновесия в сторону той реакции, при протекании которой объем газов уменьшается, а понижение давления – в сторону той реакции, в результате которой объем газов увеличивается.

Влияние катализатора на химическое равновесие

Поскольку катализатор в равной мере ускоряет как прямую, так и обратную реакции, то его наличие или отсутствие никак не влияет на состояние равновесия.

Единственное, на что может повлиять катализатор, — это на скорость перехода системы из неравновесного состояния в равновесное.

Воздействие всех указанных выше факторов на химическое равновесие сведено ниже в таблицу-шпаргалку, в которую поначалу можно подглядывать при выполнении заданий на равновесия. Однако же пользоваться на экзамене ей не будет возможности, поэтому после разбора нескольких примеров с ее помощью, ее следует выучить и тренироваться решать задания на равновесия, уже не подглядывая в нее:

Обозначения: T – температура, p – давление, с – концентрация, ↑ — повышение, ↓ — понижение

Источник

Химическое равновесие. Принцип Ле Шателье

Материалы портала onx.distant.ru

Понятие химического равновесия

Признаки химического равновесия

Принцип Ле Шателье

Влияние температуры на химическое равновесие

Влияние давления на химическое равновесие

Влияние концентрации на химическое равновесие

Константа химического равновесия

Примеры решения задач

Задачи для самостоятельного решения

Понятие химического равновесия

Равновесным считается состояние системы, которое остается неизменным, причем это состояние не обусловлено действием каких-либо внешних сил. Состояние системы реагирующих веществ, при котором скорость прямой реакции становится равной скорости обратной реакции, называется химическим равновесием. Такое равновесие называется еще подвижным или динамическим равновесием.

Признаки химического равновесия

Принцип Ле Шателье

Влияние изменения внешних условий на положение равновесия определяется принципом Ле Шателье (принципом подвижного равновесия):

Если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, производить какое–либо внешнее воздействие, то в системе усилится то из направлений процесса, которое ослабляет эффект этого воздействия, и положение равновесия сместится в том же направлении.

Принцип Ле Шателье применим не только к химическим процессам, но и к физическим, таким как кипение, кристаллизация, растворение и т. д.

Рассмотрим влияние различных факторов на химическое равновесие на примере реакции окисления NO:

Влияние температуры на химическое равновесие

При повышении температуры равновесие сдвигается в сторону эндотермической реакции, при понижении температуры – в сторону экзотермической реакции.

Степень смещения равновесия определяется абсолютной величиной теплового эффекта: чем больше по абсолютной величине энтальпия реакции ΔH, тем значительнее влияние температуры на состояние равновесия.

В рассматриваемой реакции синтеза оксида азота (IV) повышение температуры сместит равновесие в сторону исходных веществ.

Влияние давления на химическое равновесие

Сжатие смещает равновесие в направлении процесса, который сопровождается уменьшением объема газообразных веществ, а понижение давления сдвигает равновесие в противоположную сторону.

В рассматриваемом примере в левой части уравнения находится три объема, а в правой – два. Так как увеличение давления благоприятствует процессу, протекающему с уменьшением объема, то при повышении давления равновесие сместится вправо, т.е. в сторону продукта реакции – NO2. Уменьшение давления сместит равновесие в обратную сторону. Следует обратить внимание на то, что, если в уравнении обратимой реакции число молекул газообразных веществ в правой и левой частях равны, то изменение давления не оказывает влияния на положение равновесия.

Влияние концентрации на химическое равновесие

Для рассматриваемой реакции введение в равновесную систему дополнительных количеств NO или O2 вызывает смещение равновесия в том направлении, при котором концентрация этих веществ уменьшается, следовательно, происходит сдвиг равновесия в сторону образования NO2. Увеличение концентрации NO2 смещает равновесие в сторону исходных веществ.

Катализатор одинаково ускоряет как прямую, так и обратную реакции и поэтому не влияет на смещение химического равновесия.

При введении в равновесную систему (при Р = const) инертного газа концентрации реагентов (парциальные давления) уменьшаются. Поскольку рассматриваемый процесс окисления NO идет с уменьшением объема, то при добавлении инертного газа равновесие сместится в сторону исходных веществ.

Константа химического равновесия

Для химической реакции:

константа химической реакции Кс есть отношение:

В этом уравнении в квадратных скобках – концентрации реагирующих веществ, которые устанавливаются при химическом равновесии, т.е. равновесные концентрации веществ.

Константа химического равновесия связана с изменением энергии Гиббса уравнением:

ΔGT о = – RTlnK (2)

Примеры решения задач

Задача 1. При некоторой температуре равновесные концентрации в системе 2CO (г) + O2 (г)→2CO2 (г) составляли: [CO] = 0,2 моль/л, [O2] = 0,32 моль/л, [CO2] = 0,16 моль/л. Определите константу равновесия при этой температуре и исходные концентрации CO и O2, если исходная смесь не содержала СО2.

Решение.

ВеществоCOO2CO2 Сисходн, моль/л0,520,480 Спрореагир,моль/л0,320,160,16 Сравн, моль/л0,20,320,16

Во второй строке под Спрореагир понимается концентрация прореагировавших исходных веществ и концентрация образующегося CO2, причем, Сисходн= Спрореагир + Сравн.

Задача 2. Используя справочные данные, рассчитайте константу равновесия процесса

Решение.

Задача 3. Определите равновесную концентрацию HI в системе

Решение. Пусть к некоторому моменту времени прореагировало x моль/л H2.

Вещество H2 I2 HI
сисходн., моль/л120
спрореагир., моль/лxx2x
cравн., моль/л1-x2-x2x

Тогда, К = (2х) 2 /((1-х)(2-х))

Решая это уравнение, получаем x = 0,67.

Значит, равновесная концентрация HI равна 2× 0,67 = 1,34 моль/л.

Задача 4. Используя справочные данные, определите температуру, при которой константа равновесия процесса: H2(г) + HCOH(г) →CH3OH(г) становится равной 1. Принять, что ΔН о Т » ΔН о 298, а ΔS о T » ΔS о 298.

Решение.

Если К = 1, то ΔG о T = — RTlnK = 0;

Задача 5. Для реакции SO2(Г) + Cl2(Г) →SO2Cl2(Г) при некоторой температуре константа равновесия равна 4. Определите равновесную концентрацию SO2Cl2, если исходные концентрации SO2, Cl2 и SO2Cl2 равны 2, 2 и 1 моль/л соответственно.

Решение. Пусть к некоторому моменту времени прореагировало x моль/л SO2.

Вещество SO2 Cl2 SO2Cl2
cисходн., моль/л221
cпрореагир., моль/лxxх
cравн., моль/л2-x2-xx + 1

Решая это уравнение, находим: x1 = 3 и x2 = 1,25. Но x1 = 3 не удовлетворяет условию задачи.

Следовательно, [SO2Cl2] = 1,25 + 1 = 2,25 моль/л.

Задачи для самостоятельного решения

1. В какой из приведенных реакций повышение давления сместит равновесие вправо? Ответ обоснуйте.

Так как увеличение давления благоприятствует процессу, протекающему с уменьшением количества
газообразных веществ, то равновесие сместится вправо в реакции 3.

2. При некоторой температуре равновесные концентрации в системе:

составляли: [HBr] = 0,3 моль/л, [H2] = 0,6 моль/л, [Br2] = 0,6 моль/л. Определите константу равновесия и исходную концентрацию HBr.

К = 4; исходная концентрация HBr составляет 1,5 моль/л.

3. Для реакции H2(г) + S(г) →H2S(г) при некоторой температуре константа равновесия равна 2. Определите равновесные концентрации H2 и S, если исходные концентрации H2, S и H2S равны, соответственно, 2, 3 и 0 моль/л.

[H2] = 0,5 моль/л; [S] = 1,5 моль/л.

4. Используя справочные данные, вычислите температуру, при которой константа равновесия процесса

становится равной 1. Примите, что ΔН о Т≈ΔН о 298, а ΔS о T≈ΔS о 298

5. Используя справочные данные, рассчитайте константу равновесия процесса:

6. Для реакции 2С3Н8(г) → н-С5Н12(г)+СН4(г) при температуре 1000 К константа равновесия равна 4. Определите равновесную концентрацию н-пентана, если исходная концентрация пропана равна 5 моль/л.

7. При температуре 500 К константа равновесия процесса:

8. При температуре 800 К константа равновесия процесса н-С6Н14(г)+ 2С3Н6(г)2(г) равна 8,71. Определите ΔG о f,8003Н6(г)), если ΔG о f,800(н-С6Н14(г)) = 305,77 кДж/моль.

9. Для реакции СО(г) + Cl2(г) →СO2Cl2(г) при некоторой температуре равновесная концентрация СO2Cl2(г) равна 1,2 моль/л. Определите константу равновесия данного процесса, если исходные концентрации СО(г) и Cl2(г) равны соответственно 2,0 и 1,8 моль/л.

10. При некоторой температуре равновесные концентрации в системе 2SО2(г) + О2(г) →2SO3(г) составляли: [SО2 ]=0,10 моль/л, [О2]=0,16 моль/л, [SО3]=0,08 моль/л. Вычислите константу равновесия и исходные концентрации SО2 и О2.

К=4,0; исходная концентрация SО2 составляет 0,18 моль/л;
исходная концентрация О2 составляет 0,20 моль/л.

Источник

Химическое равновесие

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие

Принцип Ле Шателье

В 1884 году французским химиком Анри Ле Шателье был предложен принцип, согласно которому, если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, оказать внешнее воздействие (изменить температуру, давление, концентрацию), то система будет стремиться компенсировать внешнее воздействие.

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие

Это принцип обоснован термодинамически и доказан. Однако в такой абстрактной формулировке его сложно применить для решения конкретных задач по химическому равновесию. В этой статье я покажу конкретные примеры и обозначу алгоритм действия, чтобы вы могли успешно справляться с заданиями.

Влияние изменения концентрации на химическое равновесие

При увеличении концентрации какого-либо компонента химической реакции, система будет стремиться восстановить равновесие: равновесие будет смещаться в сторону расходования добавленного компонента.

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие

Если мы попытаемся удалить какое-либо вещество из системы (уменьшить его концентрацию), то система будет стремиться заполнить «пустое» место, которые мы создали. Наглядно демонстрирую на примере:

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие

Изменения давления и химическое равновесие

Если речь в задании идет об изменении давления, то первое, что нужно сделать, это посчитать количество газов в уравнении слева и справа. Твердые вещества и жидкости считать не нужно. Например:

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие

В случае, если слева и справа количество молекул газа одинаково, например, в реакции:

Изменение температуры и химическое равновесие

Если в задании увеличивают или уменьшают температуру, то первое, что вы должны оценить: экзотермическая это реакция или эндотермическая.

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие

Поэтому данное правило универсально и применимо для всех реакций. Для примера разберем следующие задачи:

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие

Чтобы не осталось белых пятен, возьмем экзотермическую реакцию и повторим с ней подобный эксперимент.

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие

Катализатор и ингибитор

Действие катализатора и ингибитора соответственно касается только ускорения и замедления химической реакции. Они никоим образом не влияют на равновесие.

Константа равновесия

Константой равновесия называют отношения скоростей прямой и обратной реакции. Для реакции типа aA + bB = cC + dD константа равновесия будет записана следующим образом:

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Источник

7 что такое химическое равновесие

ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

Конспект лекций для студентов биофака ЮФУ (РГУ)

1.7 ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ

Как было показано выше, протекание самопроизвольного процесса в термодинамической системе сопровождается уменьшением свободной энергии системы (dG 2 Y > 0. Таким образом, условием термодинамического равновесия в закрытой системе является минимальное значение соответствующего термодинамического потенциала :

Изобарно-изотермические (P = const, T = const):

Изохорно-изотермические (V = const, T = const):

Состояние системы с минимальной свободной энергией есть состояние термодинамического равновесия:

Термодинамическим равновесием называется такое термодинамическое состояние системы, которое при постоянстве внешних условий не изменяется во времени, причем эта неизменяемость не обусловлена каким-либо внешним процессом.

Учение о равновесных состояниях – один из разделов термодинамики. Далее мы будем рассматривать частный случай термодинамического равновесного состояния – химическое равновесие. Как известно, многие химические реакции являются обратимыми, т.е. могут одновременно протекать в обоих направлениях – прямом и обратном. Если проводить обратимую реакцию в закрытой системе, то через некоторое время система придет в состояние химического равновесия – концентрации всех реагирующих веществ перестанут изменяться во времени. Необходимо отметить, что достижение системой состояния равновесия не означает прекращения процесса; химическое равновесие является динамическим, т.е. соответствует одновременному протеканию процесса в противоположных направлениях с одинаковой скоростью. Химическое равновесие является подвижным – всякое бесконечно малое внешнее воздействие на равновесную систему вызывает бесконечно малое изменение состояния системы; по прекращении внешнего воздействия система возвращается в исходное состояние. Ещё одним важным свойством химического равновесия является то, что система может самопроизвольно прийти в состояние равновесия с двух противоположных сторон. Иначе говоря, любое состояние, смежное с равновесным, является менее устойчивым, и переход в него из состояния равновесия всегда связан с необходимостью затраты работы извне.

Количественной характеристикой химического равновесия является константа равновесия, которая может быть выражена через равновесные концентрации С, парциальные давления P или мольные доли X реагирующих веществ. Для некоторой реакции

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие

соответствующие константы равновесия выражаются следующим образом:

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие(I.78) 7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие(I.79)

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие(I.80)

Константа равновесия есть характерная величина для каждой обратимой химической реакции; величина константы равновесия зависит только от природы реагирующих веществ и температуры. Выражение для константы равновесия для элементарной обратимой реакции может быть выведено из кинетических представлений.

Рассмотрим процесс установления равновесия в системе, в которой в начальный момент времени присутствуют только исходные вещества А и В. Скорость прямой реакции V1 в этот момент максимальна, а скорость обратной V2 равна нулю:

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие(I.81)

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие(I.82)

По мере уменьшения концентрации исходных веществ растет концентрация продуктов реакции; соответственно, скорость прямой реакции уменьшается, скорость обратной реакции увеличивается. Очевидно, что через некоторое время скорости прямой и обратной реакции сравняются, после чего концентрации реагирующих веществ перестанут изменяться, т.е. установится химическое равновесие.

Приняв, что V1 = V2, можно записать:

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие(I.83)

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие(I.84)

Т.о., константа равновесия есть отношение констант скорости прямой и обратной реакции. Отсюда вытекает физический смысл константы равновесия: она показывает, во сколько раз скорость прямой реакции больше скорости обратной при данной температуре и концентрациях всех реагирующих веществ, равных 1 моль/л.

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие(I.85)

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие(I.86)

Химический потенциал компонента связан с его парциальным давлением или концентрацией следующими соотношениями:

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие(I.87)

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие(I.88)

Здесь μ°i – стандартный химический потенциал компонента (Pi = 1 атм., Сi = 1 моль/л.). Очевидно, что изменение свободной энергии системы можно связать с изменением состава системы следующим образом:

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие(I.89)

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие(I.90)

Поскольку условием равновесия является минимум свободной энергии системы (dG = 0, dF = 0), можно записать:

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие(I.91)

В закрытой системе изменение числа молей одного компонента сопровождается эквивалентным изменением числа молей остальных компонентов; т.е., для приведенной выше химической реакции имеет место соотношение:

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие(I.92)

Отсюда можно получить следующее условие химического равновесия в закрытой системе:

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие(I.93)

В общем виде условие химического равновесия можно записать следующим образом:

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие(I.94)

Выражение (I.94) носит название уравнения Гиббса – Дюгема. Подставив в него зависимость химического потенциала от концентрации, получаем:

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие(I.95)

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие(I.96)

Для изобарно-изотермического процесса аналогичным образом можно получить:

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие(I.97)

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие(I.98)

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие(I.99)

Здесь сi и рiравновесные концентрации и парциальные давления исходных веществ и продуктов реакции (в отличие от неравновесных Сi и Рi в уравнениях I.96 – I.97).

Поскольку для каждой химической реакции стандартное изменение термодинамического потенциала ΔF° и ΔG° есть строго определенная величина, то произведение равновесных парциальных давлений (концентраций), возведенных в степень, равную стехиометрическому коэффициенту при данном веществе в уравнении химической реакции (стехиометрические коэффициенты при исходных веществах принято считать отрицательными) есть некоторая константа, называемая константой равновесия. Уравнения (I.98, I.99) показывают связь константы равновесия со стандартным изменением свободной энергии в ходе реакции. Уравнение изотермы химической реакции связывает величины реальных концентраций (давлений) реагентов в системе, стандартного изменения термодинамического потенциала в ходе реакции и изменения термодинамического потенциала при переходе из данного состояния системы в равновесное. Знак ΔG (ΔF) определяет возможность самопроизвольного протекания процесса в системе. При этом ΔG° (ΔF°) равно изменению свободной энергии системы при переходе из стандартного состояния (Pi = 1 атм., Сi = 1 моль/л) в равновесное. Уравнение изотермы химической реакции позволяет рассчитать величину ΔG (ΔF) при переходе из любого состояния системы в равновесное, т.е. ответить на вопрос, будет ли химическая реакция протекать самопроизвольно при данных концентрациях Сi (давлениях Рi) реагентов:

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие(I.100)

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие(I.101)

Если изменение термодинамического потенциала меньше нуля, процесс в данных условиях будет протекать самопроизвольно.

1.7.1 Влияние внешних условий на химическое равновесие

При постоянстве внешних условий система может находиться в состоянии равновесия сколь угодно долго. Если изменить эти условия (т.е. оказать на систему какое-либо внешнее воздействие), равновесие нарушается; в системе возникает самопроизвольный процесс, который продолжается до тех пор, пока система опять не достигнет состояния равновесия (уже при новых условиях). Рассмотрим, как влияют на положение равновесия некоторые факторы.

1.7.2 Влияние давления и концентрации

Рассмотрим несколько возможных случаев смещения равновесия.

1. В систему добавлено исходное вещество. В этом случае

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие; 7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие;

По уравнению изотермы химической реакции (I.100 – I.101) получаем: ΔF 0; ΔG > 0. Химическое равновесие будет смещено влево (в сторону расходования продуктов реакции и образования исходных веществ).

3. Изменено общее давление (для реакций в газовой фазе).

Парциальные давления всех компонентов Рi в этом случае изменяются в одинаковой степени; направление смещения равновесия будет определяться суммой стехиометрических коэффициентов Δn.

Учитывая, что парциальное давление газа в смеси равно общему давлению, умноженному на мольную долю компонента в смеси (Рi = РХi), изотерму реакции можно переписать в следующем виде (здесь Δn = Σ(ni) продΣ(ni) исх):

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие(I.102)

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие (I.103)

Примем, что Р2 > Р1. В этом случае, если Δn > 0 (реакция идет с увеличением числа молей газообразных веществ), то ΔG > 0; равновесие смещается влево. Если реакция идет с уменьшением числа молей газообразных веществ (Δn изобару Вант-Гоффа :

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие(I.06)

Рассуждая аналогичным образом, для процесса, проходящего в изохорных условиях, можно получить изохору Вант-Гоффа :

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие(I.107)

Изобара и изохора Вант-Гоффа связывают изменение константы химического равновесия с тепловым эффектом реакции в изобарных и изохорных условиях соответственно. Очевидно, что чем больше по абсолютной величине тепловой эффект химической реакции, тем сильнее влияет температура на величину константы равновесия. Если реакция не сопровождается тепловым эффектом, то константа равновесия не зависит от температуры.

Экзотермические реакции: ΔH° 0 (ΔU° > 0). В этом случае температурный коэффициент логарифма константы равновесия положителен; повышение температуры увеличивает величину константы равновесия (смещает равновесие вправо).

Графики зависимостей константы равновесия от температуры для экзотермических и эндотермических реакций приведены на рис. I.4.

7 что такое химическое равновесие. Смотреть фото 7 что такое химическое равновесие. Смотреть картинку 7 что такое химическое равновесие. Картинка про 7 что такое химическое равновесие. Фото 7 что такое химическое равновесие

Рис. 1.4 Зависимость константы равновесия от температуры.

Если на систему, находящуюся в состоянии истинного равновесия, оказывается внешнее воздействие, то в системе возникает самопроизвольный процесс, компенсирующий данное воздействие.

Принцип Ле Шателье – Брауна является одним из следствий второго начала термодинамики и применим к любым макроскопическим системам, находящимся в состоянии истинного равновесия.

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *