Оборотність хімічних реакцій
Хімічними реакція називають перетворення речовин, в яких відбувається зміна їх складу і (або) будови.
Перебіг реакції можливо при сприятливому співвідношенні енергетичного і ентропійного факторів. Якщо ці фактори врівноважують один одного, стан системи не змінюється. У таких випадках кажуть, що системи знаходиться в рівновазі.
Хімічні реакції, що протікають в одному напрямку, називають необоротними. Більшість хімічних реакцій є оборотними. Ця значить, що при одних і тих же умовах протікають і пряма, і зворотна реакції (особливо якщо мова йде про замкнутих системах).
Стан системи, при якому швидкість прямої реакції дорівнює швидкості зворотної реакції, називають хімічним рівновагою. При цьому концентрації реагуючих речовин і продуктів реакції залишаються без зміни (рівноважні концентрації).
Константа рівноваги
Розглянемо реакцію отримання аміаку:
Запишемо вирази для обчислення швидкостей прямої (1) і зворотної (2) реакцій:
1 = k1 [N2] [H2] 3
Швидкості прямої і зворотної реакцій рівні, отже можна записати:
Відношення двох постійних величин - величина постійна. Константа рівноваги- відношення констант швидкостей прямої і зворотної реакцій.
Якщо виразити в загальному вигляді, то константа рівноваги:
mA + nB ↔ pC + qD
К = [C] p [D] q / [A] m [B] n
Константа рівноваги -отношение творів концентрацій продуктів реакції, зведених в ступені рівні їх стехиометрическим коефіцієнтам до добутку концентрацій вихідних речовин, зведених в ступені рівні їх стехиометрическим коефіцієнтами.
Якщо К висловлюють через рівноважні концентрації, то найчастіше позначають Кс. Можливо також розрахувати До для газів через їх парціальні тиску. В цьому випадку До позначають як Кр. Між Кс і Кр існує залежність:
де δn - зміна числа всіх моль газів при переході від реагентів до продуктів, R - універсальна газова стала.
До не залежить від концентрації, тиску, обсягу і наявності каталізатора і залежить від температури і природи реагуючих речовин. Якщо К багато менше 1, то в суміші більше вихідних речовин, а в разі багато більшому 1 - в суміші більше продуктів.
гетерогенне рівновагу
У вираз для константи рівноваги концентрації компонентів твердої фазі не входять, отже
Хімічна рівновага настає при наявності всіх компонентів системи, але константа рівноваги не залежить від концентрацій речовин у твердій фазі. Хімічна рівновага - динамічний процес. До дає інформацію про протікання реакції, а δG - про її напрямку. Вони пов'язані між собою відношенням:
δG 0 = -R × T × lnK
δG 0 = -2,303 × R × T × lgK
Зміщення хімічної рівноваги. Принцип Ле-Шательє
З точки зору технологічних процесів оборотні хімічні реакції не вигідні, оскільки потрібно мати знання, яким чином підвищити вихід продукту реакції, тобто необхідно навчитися зміщувати хімічну рівновагу в бік продуктів реакції.
Розглянемо реакцію, в якій необхідно підвищити вихід аміаку:
Для того, щоб змістити рівновагу в бік прямої або зворотної реакції необхідно скористатися принципом Ле-Шательє. якщо на систему, що знаходиться в рівновазі подіяти будь-яким фактором із зовні (збільшити або зменшити температуру, тиск, об'єм, концентрацію речовин), то система надає протидія даного впливу.
Наприклад, якщо в рівноважної системі підвищити температуру, то з 2-х можливих реакцій піде та, яка буде ендотермічної; якщо підвищити тиск, то рівновага зміститься у бік реакції з великим числом моль речовин; якщо в системі увеменьшіть обсяг, то зміщення рівноваги буде направлено на збільшення тиску; якщо збільшити концентрацію одного з вихідних речовин, то з 2-х можливих реакцій піде та, яка призведе до зменшення рівноважної концентрації продукту.
Так, стосовно, до розглянутої реакції, щоб підвищити вихід аміаку, потрібно збільшити концентрації вихідних речовин; знизити температуру, оскільки пряма реакція екзотермічна, збільшити тиск або зменшити обсяг.
Приклади розв'язання задач
Як впливає на рівновагу в системі PCl5 ↔ PCl3 + Cl2; δH> 0