Сдвиг равновесия

При неизменныхусловиях химическое равновесие может сохраняться сколь угодно долго. Изменяя условия, можно нарушить это равновесие. Изменение условий не­одинаково влияет на скорость прямой и обратной реак­ций. Равновесие нарушается, но через некоторое время скорости вновь сравниваются и наступает состояние равновесия, отвечающее новым условиям. При этом кон­центрации реагирующих веществ, а также образую­щихся веществ будут иными, чем до нарушения равно­весия.

Изменение равновесных концентраций реагирующих веществ, вызванное изменением какого-либо условия. называется смещением, или сдвигом, равновесия.

Увеличение, концентрации образующихся веществ (формулы их находятся в правой части уравнения) при изменении условий обратимой реакции называют смещением равновесия вправо. Если изменение условий приводит к увеличению концентраций исходных веществ, говорят о смещении равновесия, влево.

Сдвиг равновесия обратимой реакции может быть вызван, изменением концентрации одного из веществ, участвующих в реакции, изменение температуры и давления.

1. Изменение концентрации одного из реагирующих веществ. Рассмотрим уравнение реакции:

СО2 + Н2 ↔ СО + Н2О

Предположим. что после установления равновесия мы добавили в реакционнуюсмесь одно из исходных ве­ществ, например СО2, не изменив общего объема смеси газов. В результате этого скорость прямой реакции ста­нет больше. Увеличение концентрации СО и Н2О (про­дуктов реакции) вызывает ускорение обратной реакции. Через некоторое время установится новое состояние рав­новесия, но при этом концентрация СО и Н2О будет выше, чем до добавлений оксида углерода (IV). Произошло смешение химического равновесия вправо. Точно так же прибавление одного из образующихся при реакции веществ повысит скорость обратной реакции и произойдет смещение химического равновесия влево.

Следовательно, по увеличении концентрации какого-либо из веществ, участвующих в обратимой реакции, равновесие смещается в сторону расхода этого веще­ства.

Уменьшение концентрации одного из продуктов реак­ции также приведет к смещению равновесия. Если в при­веденной выше реакции постепенно удалять пары воды, новые порции оксида углерода (IV) и водорода будут вступать в реакцию и образовывать оксид углерода (II) и воду.

Таким образом, равновесие сместится вправо.

2. Изменение температуры. Повышение температуры может ускорять и прямой, и обратный процессы. Однако если реакция экзотермическая, т. е. протекает с выделением теплоты, охлаждение вызовет смещение химического равновесия вправо – в сторону образования продуктов реакции. Еслиреакция идет с погло­щением теплоты (эндотермичскаяреакция), то скоростьпрямой реакции будет увеличивать нагревание.

В качестве примера рассмотрим реакцию синтеза аммиак а:

N2 + 3H2 ↔ 2NH3 (∆Н < 0)

Так как реакция идет с выделением теплоты, то повышение температуры смеси будет благоприятствовать обрат­ной реакции и равновесие сместится влево. Понижение температуры вызовет смещение равновесия вправо.

В случае другого обратимого процесса:

N2 + 3H2 ↔ 2NH3 (∆Н > 0),

повышение температуры смещает равновесие вправо, т. е. способствует образованию оксида азота (II), а по­нижение температуры смещает равновесие влево.

3. Изменение давления. В реакции синтеза аммиака:

N2 + 3H2 ↔ 2NH3

в левой части уравнения имеются 4 молекулы исходных веществ, а в правой — 2 молекулы продукта реакции. Увеличение давления должно благоприятствовать про­цессу, ведущему к уменьшению числа молекул. Следовательно, при увеличении давления равновесие смещает­ся вправо, а при уменьшении — влево.

В уравнении:

СО2 + Н2 ↔ СО + Н2О

число молекул в левой и в правой частях уравнения рав­ны. В данном случае изменение давления не вызовет сме­щения химического равновесия.

Общую формулировку влияния изменения условий на равновесие системы дает принцип смещения равновесия, сформулированный Ле-Шателье в 1884г.: если изменить одно из условий, при которых система находится в рав­новесии, и таким образом нарушить равновесие, то в системе возникают процессы, которые ведут к восстановле­нию равновесия.

Из сказанного выше можно сделать важные выводы. Если один из продуктов реакции удалять из сферы вза­имодействие по мере его образования, обратимую реак­цию можно во многих случая довести практически до конца. Чтобы полнее использовать одно из реагирующих веществ, надо действовать на него избыткбм другого вещества. Подбирая температуру, и давление для, того или иного обратимого процесса, можно сместить равновесие в нужную сторону.

Таким образом, принцип смещения равновесия позволяет сознательно управлять обратимым процессом.

Контрольные вопросы

1. Что следует понимать под скоростью химической реакции и в каких единицах она измеряется?

2. Назовите факторы, влияющие на скорость реакции.

3. Дайте формулировку закона действия масс и напишите его математическое выражение.

4. Каков физический смысл константы скорости реакции?

5. Как зависит скорость и константа скорости химической реакции от температуры?

6. Какие реакции называют обратимыми и необратимыми?

7. Что такое состояние химического равновесия?

8. Напишите математическое выражение для константы химического равновесия в общем виде.

9. Что называется смещением равновесия?

10. Дайте формулировку принципа Ле-Шателье.

11. С помощью каких факторов можно изменить состояние химического равновесия?

12. Напишите математическое выражение для скорости реакции, протекающей между водородом и кислородом.

13. Напишите выражение для констант равновесия следующих реакций:

а) N₂ + O₂ → 2NO; б) N₂ + 3H₂ → 2NH_3.

14. Как изменится скорость реакции между оксидом серы (IV) и кислородом

2SO₂ + O₂ → 2SO₃, если увеличить концентрацию каждого вещества в два раза?

15. В какую сторону сместится равновесие при повышении температуры в системах:

а) 2CO + O₂ → 2CO₂ (∆H<0); б) N₂O₄→ 2NO₂(∆H>0)?

16. В какую сторону сместится равновесие при повышении давления в системах:

а) 2NO + O₂ → 2NO₂; б) H₂ + I₂→2HI; в) 4HCl + O₂ → 2H₂O + 2Cl₂&

Таблица 4

№	Операции	Исследуемое вещество	Реактив	Наблюдае-мое изменение	Уравнение реакции	Заключение
1.	Испытание на присут- ствие ионов NH4+	Испытуемый раствор	Реактив Несслера	Выпадает красно- бурый осадок	NH4+ + 4OH- + 2[HgJ4]2-→[OHg2 NH2]J↓ +7J2- + 3H2O	Ионы NH4+ присутствуют