Хімічна рівновага та способи її зміщення

У напрямку всі хімічні реакції можна розділити на незворотні та конвертовані. До перших відносять порівняно небагато реакцій. Це, наприклад, реакції горіння або реакції в розчинах електролітів, що протікають в повній відповідності з правилом Бертолле (згадайте його, наведіть приклади).

Серед оборотних реакцій, використовуваних для одержання найважливіших хімічних продуктів, можна назвати реакцію синтезу оксиду азоту (II), яка може служити початком процесу отримання азотної кислоти.

У органічної хімії оборотні реакції ще більш численні. Про різноманіття таких реакцій говорять хоча б терміни-антоніми, застосовувані в ній: гідрування – дегидрирование, гідратація – дегідратація, етерифікація – гідроліз.

У оборотних процесах швидкість прямої реакції спочатку максимальна, а потім зменшується через те, що зменшуються концентрації вихідних речовин, витрачених освіту продуктів реакції. Навпаки, швидкість зворотної реакції, мінімальна спочатку, збільшується у міру збільшення концентрації продуктів реакції. Нарешті, наступає такий момент, коли швидкості прямої і зворотної реакцій стають рівними.

Хімічна рівновага є динамічним (рухомим), так як при його настанні реакція не припиняється, незмінними залишаються лише концентрації компонентів, т. Е. За одиницю часу утворюється така ж кількість продуктів реакції, яке перетворюється на вихідні речовини. При постійних температурі і тиску рівновагу оборотної реакції може зберігатися невизначено довгий час.

На виробництві ж найчастіше зацікавлені в переважному протіканні прямої реакції. Наприклад, в отриманні аміаку, оксиду сірки (VI) та оксиду азоту (II). Як же вивести систему зі стану рівноваги? Як впливає на нього зміна зовнішніх умов, при яких протікає той чи інший оборотний хімічний процес?

Французький хімік Анрі Лешательє в 1885 р вивів, а німецький фізик Фердинанд Браун в 1887 р обоСостояніе снував загальний закон зміщення хімічної рівноваги залежно

Цей принцип можна було б назвати принципом «роби навпаки і доб’єшся свого». Розглянемо, як треба вчинити, щоб змістити рівновагу, якщо змінювати кожна з умов реакції, на прикладі реакції синтезу аміаку:

змістити рівновагу

Спочатку дамо характеристику цього процесу.

1. Пряма реакція є реакцією з’єднання, так як з двох простих речовин – азоту і водню – утворюється одне складне речовина – аміак. Зрозуміло, зворотна реакція за цією ознакою відноситься до реакцій розкладання.

2. Так як обидві реакції – і пряма, і зворотна – протікають в присутності каталізатора (їм може служити або універсальна, але дорога платина, або дешевий залізний каталізатор з добавками оксидів калію і алюмінію), то обидві реакції є каталітичними. Слід зазначити, що каталізатор не впливає на зміщення рівноваги, він однаково змінює швидкість як прямий, так і зворотної реакцій, т. Е. Тільки прискорює момент настання хімічної рівноваги.

3. Пряма реакція протікає з виділенням теплоти, тому відноситься до екзотермічних реакцій. Логічно тому стверджувати, що зворотна реакція є ендотермічний і протікає з поглинанням теплоти.

Отже, розглянемо тепер, як застосовується принцип Лешательє, принцип протидії, для зміщення рівноваги реакції синтезу аміаку.

1. Зміна рівноважних концентрацій, т. Е. Концентрацій речовин після встановлення рівноваги. Щоб змістити рівновагу в бік утворення аміаку, необхідно збільшити концентрацію вихідних речовин, т. Е. Концентрацію азоту і водню, і зменшити концентрацію продукту, т. Е. Аміаку. Рівноважні концентрації прийнято позначати квадратними дужками, на відміну від нерівноважних, які позначають буквою С. Отже, щоб змістити рівновагу розглянутої реакції вправо, потрібно збільшити концентрації азоту і водню ([N2] і [Н2]) і зменшити концентрацію аміаку ([NH3]) , т. е. вивести його зі сфери реакції. Зрозуміло, що для зміщення рівноваги вліво потрібно вчинити навпаки.

2. Зміна тиску. Синтез аміаку з водню і азоту супроводжується зменшенням обсягу: з 4 моль вихідних речовин утворюється тільки 2 моль аміаку. Очевидно, що в закритій посудині або апараті (він називається колоною синтезу) (рис. 106) продукти цієї реакції створюють менший тиск, ніж створювали подібні речовини. Значить, пряма реакція – синтез аміаку – супроводжується зниженням тиску. Навпаки, розкладання аміаку на водень і азот веде до збільшення числа молекул газів, а отже, і до збільшення тиску. При стисненні реакційної суміші рівновага зміщується вправо, в бік утворення аміаку, так як цей процес призводить до зменшення тиску, т. Е. Протидіє зовнішньому впливу. Навпаки, зменшення тиску зміщує рівновагу вліво, в напрямку розкладання аміаку.

колона синтезу
Необхідно відзначити, що зміна тиску зміщує рівновагу лише в тому випадку, якщо в реакції беруть участь газоподібні речовини і вона супроводжується зміною їх кількості. Якщо ж кількість газоподібних речовин в процесі реакції не змінюється, то збільшення або зменшення тиску не впливає на рівновагу такої оборотної реакції. Наприклад, в реакції синтезу оксиду азоту (II) загальна кількість речовини вихідних газів N2 і 02 дорівнює кількості речовини продукту NO (по 2 моль).

Тому зміна тиску чи не порушує рівновагу цієї реакції.

3. Зміна температури. Ми вже з’ясували, що процес утворення аміаку з водню і азоту є екзотермічним, а зворотний – розкладання аміаку – ендотермічним. При підвищенні температури рівновага цієї реакції зміститься вліво, в напрямку реакції розкладання аміаку, яка проходить з поглинанням теплоти і тому послаблюється зовнішнім впливом – підвищенням температури. Навпаки, охолодження реакційної суміші зміщує рівновагу вправо, в напрямку реакції синтезу аміаку. Ця реакція йде з виділенням теплоти і протидіє охолодженню.

Посилання на основну публікацію