Химическое и фазовые равновесия

Большинство химических реакций является обратимыми, т.е. они протекают одновременно в двух противоположных направлениях – прямом (®) и обратном (), например:

N_2(г) + 3Н_2(г) «2NH_3(г)

Состояние системы, при котором скорости прямой и обратной реакций равны, называется химическим равновесием. В состоянии равновесия концентрации реагентов и продуктов постоянны; их называют равновесными и обозначают квадратными скобками [ ].

Для приведенной реакции условие химического равновесия запишется так:

Любое химическое равновесие количественно характеризуется константой равновесия – это отношение произведения равновесных концентраций продуктов реакции к произведению равновесных концентраций исходных веществ, возведенных в степени, равные стехиометрическим коэффициентам. Для реакции в общем виде:

aA + bB «dD + fF

константа химического равновесия, выраженная через молярные концентрации веществ, запишется так:

(1)

Уравнение (1) является выражением закона действия масс для обратимых реакций.

Если реакция протекает в газовой фазе, то константа равновесия рассчитывается через равновесные парциальные давления. Например, для вышеприведенной реакции синтеза аммиака:

(2)

Константа равновесия зависит от природы реагирующих веществ, температуры, но не зависит от концентрации реагентов. Значение константы равновесия определяет глубину превращения исходных веществ в продукты реакции. При К_с>>1 равновесие обратимой реакции смещено в сторону прямой реакции, т.е. реакция дает большой выход продуктов. При K_c<<1 выход продуктов очень мал и равновесие смещено в сторону исходных веществ.

Каждое химическое равновесие устанавливается при определенных условиях: концентрациях, температуре, давлении для газов. Изменение одного из параметров приводит к нарушению и смещению равновесия. Направление смещения равновесия определяется правилом Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказать внешнее воздействие, то равновесие системы сместится в сторону той реакции, которая ослабляет это воздействие.

1. При уменьшении концентрации одного из веществ равновесие смещается в сторону реакции, которая образует это вещество. При увеличении концентрации вещества равновесие смещается в сторону реакции, которая расходует это вещество.

2. Повышение температуры смещает равновесие в сторону эндотермической реакции, а понижение – в сторону экзотермической реакции.

3. Изменение давления оказывает влияние на равновесие в том случае, если в реакции участвуют газообразные вещества. При повышении внешнего давления равновесие смещается в сторону той реакции, которая сопровождается уменьшением количества газообразных веществ, т.е. уменьшением объема. Наоборот, при понижении внешнего давления равновесие смещается в сторону увеличения количества газообразных веществ, т.е. увеличения объема.

Пример 1. При синтезе аммиака

N_2(г) + 3Н_2(г) «2NH_3(г)

Равновесие установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ, моль/л:

[N₂]=2,5; [H₂]=1,8; [NH₃]=3,6.

Рассчитайте константу равновесия этой реакции и начальные концентрации азота и водорода.