ЧАСТЬ И
ОБЩАЯ ХИМИЯ
ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИХ
ТЕЧЕНИЯ
Химическое равновесие
Обратимые реакции
Часто
направление реакции зависит от условий ее проведения. Например, при обычных условиях
преимущественно происходит реакция:
Однако
при нагревании до высокой температуры почти до тысячи градусов, начинает преобладать
обратная реакция разложения кальций карбоната:
Однако
часто случается, что ход прямой и обратной реакций возможен при одинаковых
условий. В частности, и приведенная реакция при промежуточных значениях температуры может
происходить в обоих направлениях.
Реакции,
которые при заданных условиях происходят как в прямом, так и в обратном направлениях,
называют обратимыми.
При
записи уравнений таких реакций вместо знака равенства используют противоположно
направленные стрелки:
В
обратимых реакциях соотношение количеств реагентов и продуктов зависит от
скоростей прямой и обратной реакций. Если скорость прямой реакции превышает
скорость обратного, то в единицу времени образуется больше продуктов, и реакция в
основном идет слева направо; если же большая скорость обратной реакции, то
образуются главным образом исходные вещества, и реакция протекает справа налево.
Оборотные
процессы очень распространены. К ним относятся диссоциация воды и слабых кислот,
взаимодействие водорода с бромом, йодом и азотом.
Химическая
равновесие
Оборотные
реакции никогда не проходят до конца. Рассмотрим взаимодействие водорода с йодом с
образованием йодоводню. Пусть в начальный момент времени в сосуде находятся
только реагенты - водород и йод - и их максимальные концентрации. Молекулы Н2
и И2 начинают взаимодействовать друг с другом - происходит прямая
реакция. Скорость этой реакции в начальный момент времени является максимальной и
уменьшается по мере того, как исходные вещества расходуются:
И
наоборот, обратная реакция в начальный момент времени вообще не происходит, а
с ростом концентрации продукта реакции - йодоводню - ее скорость
увеличивается. Наконец, в какой-то момент времени скорости прямой и обратной
реакций становятся равными, а концентрации реагентов и продукта реакции перестают
меняться со временем (такие концентрации называют равновесными). Наступает
химическое равновесие.
Химическая
равновесие - состояние, при котором количества всех веществ, участвующих в
оборотной реакции, не меняются со временем.
В
состоянии равновесия возникает ложное впечатление, будто в системе ничего не
происходит. На самом деле и прямая и обратная реакции протекают одновременно и с
одинаковыми скоростями: сколько продуктов образуется в единицу времени в результате
прямой реакции, столько же и уходит в обратную. Химическое равновесие имеет
динамический характер.
Динамический
характер равновесия вам может проиллюстрировать простой пример. Представьте себе реку,
по которой против течения плывет лодка. Если скорость лодки равна скорости течения,
возникает обманчивое ощущение, что лодка не движется - его положение относительно берегов
будет неизменным.
Состав
равновесной смеси может быть различным в зависимости от условий. Если в смеси больше продуктов,
чем реагентов, то говорят, что равновесие сдвинуто вправо, в сторону продуктов
реакции. Если же в смеси преобладают реагенты, то считают, что равновесие
сдвинута влево.
Положение
равновесия не зависит от того, с какой стороны к нему приближаться: со стороны
реагентов или продуктов реакции. Например, равновесная смесь, полученная
нагревом йодоводню до 450 °С, содержащий 76% йодоводню по объему. Если же к
этой температуры нагреть смесь равных количеств водорода и йода, то в равновесному
смеси снова будет 76% йодоводню. Об этом свидетельствует закон действующих масс, согласно
каким отношение произведения равновесных концентраций продуктов реакции к произведению
концентраций реагентов в степени их стехиометрических коэффициентов является постоянным и
не зависит от концентрации веществ. Это отношение называют константой
химического равновесия. Так, например, для равновесия синтеза йодоводню
математическое выражение для константы равновесия оказывается следующим:
где квадратными скобками обозначаются
равновесные концентрации соответствующих веществ.
Влияние
концентрации веществ на химическое равновесие
Много
промышленно важных реакций являются обратимыми. Чтобы добиваться высокого выхода продуктов,
нужно научиться управлять равновесием, сдвигая его в ту или другую сторону.
Поскольку положение равновесия определяется скоростями прямой и обратной
реакций, то оно зависит от тех же факторов, что и скорость, то есть от
концентрации веществ и температуры. Также на положение равновесия в реакциях с
участием газированных веществ может влиять и давление.
Рассмотрим
смесь, полученную при нагревании водорода и паров йода до определенной температуры. При определенных
условий между водородом, йодом и йодоводнем устанавливается равновесие:
В
состоянии равновесия скорости прямой и обратной реакций равны. Если в равновесную
смесь добавить водород, то скорость прямой реакции увеличится, равновесие
нарушится и сместится вправо. При этом количество йодоводню будет расти
до тех пор, пока скорость его разложения снова не станет равна скорости его
образования, то есть пока не будет достигнут нового состояния равновесия. Другими словами,
добавление исходного вещества в равновесной смеси сдвигает равновесие вправо,
т.е. в сторону продуктов реакции. Наоборот, добавление продукта ускоряет обратную
реакцию и сдвигает химическое равновесие влево, т.е. в сторону реагентов.
Верным
есть также и обратное утверждение: удаление одного из продуктов реакции из сферы
реакции сдвигает равновесие в сторону продуктов, что в итоге делает процесс
необратимым. Именно поэтому выделение веществ из раствора в виде осадка или газа является
условием необратимости реакций ионного обмена.
Этот
вывод является частным случаем общего принципа смещения равновесия, что был
сформулирован французским физико-химиком Анри Ле Шателье:
Если
на равновесную систему сделать внешнее воздействие, то равновесие смещается в сторону
ослабление этого влияния.
Влияние температуры среды на химическую
равновесие
В соответствии
к принципу Лe Шателье,
увеличение температуры сдвигает равновесие в сторону охлаждения, то есть усиливает ту
реакцию, при которой теплота поглощается. Если прямая реакция экзотермическая (Q > 0), то при нагревании равновесие смещается
влево (в сторону реагентов), а если прямая реакция эндотермическая ( Q 0), то равновесие сдвигается вправо
(в сторону продуктов). Уменьшение температуры сдвигает равновесие в сторону нагревания,
то есть в направлении экзотермической реакции.
Реакция
разложение кальций карбоната является эндотермическим реакцией:
Добыча
кальций оксида (негашеной извести) из известняка является распространенной реакцией в
промышленности, поскольку негашеная известь является важным сырьем для изготовления
строительных материалов. Поскольку теплота в результате этой реакции
поглощается, то для смещения равновесия в сторону продуктов необходимо температуру
повышать. Поэтому разложение известняка проводят за высокой температуры.
Обратите
внимание на то, что выражение «сдвиг равновесия в сторону той или иной реакции» означает
увеличение концентрации продуктов этой реакции в сравнении с предыдущим состоянием
равновесия.
Влияние
давления на химическое равновесие
Давление
вызывает смещение равновесия только в реакциях с участием газированных веществ и в
результате которых изменяется общее число молекул газированных веществ. Увеличение
давления сдвигает равновесие в сторону уменьшения числа молекул газов, т.е. для уменьшения
давления в равновесному системе, а уменьшение давления сдвигает равновесие в сторону
увеличение числа молекул газов.
Например,
в уравнении реакции синтеза аммиака число молекул газированных веществ уменьшается
(с 4 до 2), т.е. в прямой реакции уменьшается и давление в системе:
Увеличение
давления сдвигает равновесие в сторону уменьшения числа молекул газов, поэтому при повышении
давления равновесие смещается в сторону продукта реакции - аммиака, поэтому синтез этой
вещества проводят под очень высоким давлением.
Разложение
карбонатной кислоты, наоборот, происходит с увеличением числа молекул газированных
веществ:
Именно
поэтому при открывании бутылки с газированной водой (раствором карбонатной кислоты)
давление внутри бутылки уменьшается и это способствует прямой реакции, в ходе которой давление
должен увеличиться благодаря выделению углекислого газа. Для приготовления газированной
воды, то есть для получения раствора карбонатной кислоты, необходимо направить
реакцию в обратную сторону. В этой реакции сдвиг равновесия в сторону карбонатной кислоты
происходит из-за повышенного давления.
В
реакции синтеза йодоводню из простых веществ число молекул газированных веществ не
меняется (до и после реакции по 2):
На
состояние равновесия таких реакций изменение давления не влияет.
Влияние
катализаторов
на химическое равновесие
При
добавлении катализатора к смеси, находящейся в состоянии равновесия, ускоряются
как прямая, так и обратная реакция, причем скорости обеих реакций увеличиваются
одинаково. Равновесие при этом сохраняется. Таким образом, катализатор не сдвигает
равновесие, а только ускоряет ее установку.
Задачи.
Определите, как влияет увеличение температуры и давления на выход продуктов в следующих
реакциях:
Прямая
реакция (а) происходит с поглощением теплоты, поэтому нагревание способствует смещению
равновесия вправо, т.е. выход угарного газа СО увеличивается. В ходе прямой
реакции общее число молекул газов увеличивается: 1 моль СО2
превращается в 2 моль СО (углерод находится в твердом состоянии, поэтому его не
учитывают). Следовательно, увеличение давления способствует протеканию обратной реакции, равновесие
смещается в сторону реагентов, и выход СО уменьшается.
Прямая
реакция (б) происходит с выделением теплоты, поэтому нагревание способствует
протеканию обратной реакции, равновесие смещается в сторону исходных веществ, и
выход сероводорода уменьшается. В данной системе число молекул газов не меняется
(сера находится в жидком состоянии и не учитывается). Следовательно, давление не влияет на
положения равновесия и выход продукта.