Константа рівноваги хімічної реакції

Кількісна характеристика, що показує напрямок реакції і зміщення концентрації речовин, називається константою рівноваги хімічної реакції. Константа рівноваги залежить від температури і природи реагентів.

Оборотні та необоротні реакції

Всі реакції можна розділити на два типи:

  • оборотні, одночасно протікають в двох взаємно протилежних напрямках;
  • незворотні, що протікають в одному напрямку з повним витратою хоча б одного вихідного речовини.

При незворотних реакціях зазвичай утворюються нерозчинні речовини у вигляді осаду або газу. До таких реакцій відносяться:

горіння:

C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + H2O;

розкладання:

2KMnO4 → K2MnO4 + MnO2 + H2O;

приєднання з утворенням осаду або газу:
BaCl2 + Na2SO4 → BaSO4 ↓ + 2NaCl.

Оборотні реакції можливі тільки в певних незмінних умов. Вихідні речовини дають нову речовину, яка тут же розпадається на складові частини і збирається знову. Наприклад, в результаті реакції 2NO + O2 ↔ 2NO2 оксид азоту (IV) легко розкладається на оксид азоту (II) і кисень.

Рівновага

Через певний час швидкість оборотної реакції сповільнюється. Досягається хімічну рівновагу – стан, при якому не відбувається зміни концентрації вихідних речовин і продуктів реакції з плином часу, так як швидкість прямої і зворотної реакцій зрівнюються. Рівновага можливо тільки в гомогенних системах, тобто все реагують речовини є або рідинами, або газами.

Розглянемо хімічну рівновагу на прикладі реакції взаємодії водню з йодом:

пряма реакція –

H2 + I2 ↔ 2HI;

зворотна реакція –

2HI ↔ H2 + I2.

Як тільки змішуються два реагенти – водень і йод – йодоводнева ще не існує, так як прості речовини тільки вступають в реакцію. Велика кількість вихідних речовин активно реагують один з одним, тому швидкість прямої реакції буде максимальною. При цьому зворотна реакція не протікає, і швидкість її дорівнює нулю.

Швидкість прямої реакції можна виразити графічно:

νпр = kпр ∙ [H2] ∙ [I2],

де

  • kпр – константа швидкості прямої реакції.

Згодом реагенти витрачаються, їх концентрація знижується. Відповідно, швидкість прямої реакції зменшується. Одночасно з цим збільшується концентрація нового речовини – йодоводня. При накопиченні він починає розкладатися, і швидкість зворотної реакції підвищується. Її можна виразити як

νобр = kобр ∙ [HI] 2.

Йодоводород в квадраті, так як коефіцієнт молекули дорівнює двом.

У певний момент швидкості прямої і зворотної реакції зрівнюються. Настає стан хімічної рівноваги.

Рівновага можна змістити або в сторону вихідних речовин, або в сторону продуктів реакції. Зсув під впливом зовнішніх факторів називається принципом Ле Шательє. На рівновагу впливають температура, тиск, концентрація одного з речовин.

Розрахунок константи

У стані рівноваги обидві реакції йдуть, але при цьому концентрації речовин знаходяться в рівновазі (утворюються рівноважні концентрації), так як врівноважені швидкості (νпр = νобр).

Хімічна рівновага характеризується константою хімічної рівноваги, яка виражається зведеної формулою:

Kp = kпр / kобр = const.

Константи швидкості реакції можна виразити через співвідношення швидкості реакції. Візьмемо умовне рівняння зворотної реакції:

aA + bB ↔ cC + dD.

Тоді швидкості прямої і зворотної реакції дорівнюватимуть:

  • νпр = kпр ∙ [A]pa ∙ [B]pb
  • νобр = kобр ∙ [C]pc ∙ [D]pd.

Відповідно, якщо

νпр = νобр,

то

kпр ∙ [A]pa ∙ [B]pb = kобр ∙ [C]pc ∙ [D]pd.

Звідси можна висловити співвідношення констант:

kобр / kпр = [C]pc ∙ [D]pd / [A]pa ∙ [B]pb.

Це співвідношення дорівнює константі рівноваги:

Kp = [C]pc ∙ [D]pd / [A]pa ∙ [B]pb.

Величина показує, у скільки разів швидкість прямої реакції більше швидкості зворотної реакції.

Що ми дізналися?

Реакції в залежності від кінцевих продуктів класифікуються на оборотні та необоротні. Оборотні реакції протікають в обидві сторони: вихідні речовини утворюють кінцеві продукти, які розкладаються на вихідні речовини. В ході реакції швидкості прямої і зворотної реакцій врівноважуються. Такий стан називається хімічним рівновагою. Воно може бути виражено як співвідношення твори рівноважних концентрацій продуктів реакції до добутку різновісних концентрацій вихідних речовин.

ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Креатинкіназа