Химическо равновесие - знаете ли как?
Много химични реакции протичат по такъв начин, че взетите вещества се превръщат напълно в реакционни продукти или, както се казва, реакцията отива до края. Така например солта на Berthollet, когато се нагрява, всичко без остатък се превръща в калиев хлорид и кислород:
Обратното получаване на бертолетова сол от калиев хлорид и кислород, поне при известните ни условия, се оказва невъзможно. Такива реакции се наричат практически необратими или едностранни.
Реакцията на взаимодействието на водород с железен оксид има различен характер. Ако водородът се прекара през нагрят железен котлен камък, последният се превръща в желязо и водородът се комбинира с котлен камък, за да образува вода:
Така при една и съща температура ще се осъществят две противоположни реакции: от желязо нагар и водород ще се получат желязо и водна пара, а от последното отново желязо нагар и водород.
Процесите, които при едни и същи условия могат да протичат както в една, така и в друга посока, се наричат обратими или двустранни.
За да се покаже, че химичният процес е обратим, в уравнението на реакцията знакът за равенство се заменя с две стрелки, сочещи в противоположни посоки:
Реакция, протичаща в посока от ляво на дясно, се нарича пряка, противоположната реакция се нарича обратна.
Характерна особеност на обратимите реакции е, че те не достигат до края, ако продуктите на реакцията не са отстранени от сферата на взаимодействие (например при реакции между газове в затворен съд).Изходните вещества, дори ако са взети в еквивалентни количества, никога не се изразходват напълно за образуването на продукти на реакцията. Реакцията върви само до определена граница и след товасякаш спира.
Ние илюстрираме това явление с конкретен пример. При високи температури въглеродният диоксид и водородът реагират един с друг, образувайки въглероден оксид и вода. Тази реакция е обратима и се изразява с уравнението
Експериментално е установено, че ако един грам молекула въглероден диоксид се смеси с един грам молекула водород и сместа се нагрее до 1200 °, тогава границата на реакцията настъпва, когато се образуват 0,6 грама молекули въглероден окис и същото количество водна пара. Следователно от взетите вещества 0,4 грама молекули въглероден диоксид и 0,4 грама молекули водород остават нереагирали:
Първоначални количества реагенти (вg-moles)….. 1 1 0 0
Количества вещества при достигане на границата на реакция (вg-moles)…… 0,4 0,4 0,6 0,6
Лесно е да се разбере, че причината за „спирането“ на реакцията, която разглеждаме, е наличието на обратна реакция. Наистина, след смесване на въглероден диоксид с водород, между тях започва взаимодействие, в резултат на което се образуват молекули на въглероден оксид и вода. С протичането на тази реакция концентрациите на поетите вещества намаляват и скоростта на реакцията става все по-бавна. В същото време има възможност за обратна реакция. Молекулите на въглероден оксид и вода, сблъсквайки се една с друга, могат отново да се превърнат в молекули на въглероден диоксид и водород. Първоначално, докато все още има малко молекули въглероден окис и вода, техните сблъсъци се случват доста рядко. С натрупването на молекулите на тези вещества обаче сблъсъците стават по-чести, в резултат на което скоростта на обратната реакция постепенно се увеличава. Накрая идва момент, в който скоростите на директните и обратните реакции се изравняват, т.е. във всяка единица време изчезват толкова молекули въглероден диоксид и водород, колкото се появяватотново поради обратната реакция. От този момент нататък концентрациите и на четирите газа престават да се променят, въпреки факта, че първоначално взетите въглероден диоксид и водород не са реагирали напълно.
Ако започнем не от въглероден диоксид и водород, а от въглероден оксид и вода, ще стигнем до същия резултат.
Такова състояние на системата от реагиращи вещества, когато техните концентрации не се променят, се нарича химично равновесие.Химичното равновесие се постига, когато скоростта на правата реакция стане равна на скоростта на обратната реакция.
Струва ни се, че реакцията е спряла и не продължава. Това спиране обаче е само привидно; и двете реакции продължават, но едната отрича резултатите от другата.
Тъй като химичното равновесие се определя не от прекратяването на реакцията, а от равенството на скоростите на два противоположни процеса, то по същество е динамично равновесие. Може да се сравни например с баланса на водата в резервоар, докато се налива и консумира едновременно. Ако потокът вода в резервоара е равен на неговия поток, тогава количеството вода в резервоара престава да се променя, точно както количеството на всяко от веществата престава да се променя, когато настъпи химическо равновесие.
Химическото равновесие, установено между тези вещества, може да се поддържа при непроменени условия толкова дълго, колкото желаете. Но веднага щом се промени концентрацията на поне едно от веществата, участващи в реакцията, равновесието веднага се нарушава и концентрациите на всички останали вещества също започват да се променят.
Нека въведем, например, в съд, в който въглероден диоксид, водород, въглероден оксид и водна пара са в равновесие, още малко въглероден диоксид. Увеличаването на концентрацията на въглероден диоксид очевидно ще се ускориреакцията отива надясно, което й дава временно предимство пред обратната реакция. В резултат на това концентрациите на въглероден диоксид и водород постепенно ще намаляват, докато концентрациите на въглероден оксид и вода ще се увеличават. Тази промяна в концентрациите ще продължи, докато натрупването на въглероден оксид и водни молекули, от една страна, и загубата на въглероден диоксид и водород, от друга, изравнят скоростите на двете реакции. Тогава равновесието ще се установи отново, но при различни концентрации и на четирите вещества от преди.
Процесът на промяна на концентрациите, причинен от дисбаланс, се нарича изместване или изместване на баланса.
Ако в този случай има увеличение на концентрациите на вещества в дясната половина на уравнението (и, разбира се, в същото време намаляване на концентрациите на вещества в лявата), тогава те казват,
че равновесието се измества надясно или по посока на предната реакция; при обратна промяна на концентрацията се говори за изместване на равновесието наляво. Например, в случая, обсъден по-горе, равновесието се измества надясно, тъй като концентрацията на въглероден окис и вода се увеличава.
Сега изразяваме условието за настъпване на равновесие в математическа форма.
Да предположим, че протича обратима реакция, изразена с общото уравнение:
където A и B са две вещества, от които се образуват две нови вещества C и D. Нека обозначим концентрациите на тези вещества като [A], [B], [C] и [DL, съответно. Тъй като скоростта на реакцията е пропорционална на произведението на концентрациите на реагентите, за директна реакция
Същото и за обратната връзка
При стационарно равновесие скоростите са равни, т.е.
Преобразувайки гоуравнение, получаваме:
Тъй катоK1иK2са константи, тяхното съотношение също е константа. Означавайки го с букватаK,получаваме:
където [C], [D], [A] и [B] означават концентрациите на съответните вещества в равновесие.
КонстантатаKсе нарича константа на равновесие. Това е характерна стойност за всяка реакция, независима от концентрациите, но променяща се с температурата. Физическият му смисъл е лесен за разбиране, ако вземем предвид, че той е равен на съотношениетоK1 : K2и следователно показва колко пъти директната реакция е по-бърза от обратната при същата температура и концентрации, равни на единица.
Полученото уравнение е математически израз на закона за масовото действие, приложен към обратими реакции. Значението му може да се формулира по следния начин:
При обратими реакции равновесието възниква, когато произведението на концентрациите на образуваните вещества, разделено на произведението на концентрациите на веществата, влизащи в реакцията, стане равно на някаква константа за тази реакция при дадена температура.
Ако веществата, участващи в реакцията, са в количество от няколко молекули:
тогава уравнението на равновесната константа приема следната форма:
Ако в реакцията участват твърди вещества, тогава техните концентрации не са включени в израза за равновесната константа по същата причина, по която не са включени в израза за скоростта на реакцията. Така например за реакцията между въглероден диоксид и горещ въглен.
равновесната константа се изразява чрез отношението:
Равновесието на тази реакция може да бъде нарушено само чрез промяна на концентрацията на въглероден диоксид или въглероден оксид; нито увеличаването, нито намаляването на количеството въглища оказват влияние върху състоянието на равновесие.
Възползвам сеуравнение на равновесната константа, лесно е да се определи как ще се измести равновесието, когато се промени концентрацията на едно или друго от реагиращите вещества. Нека покажем това с примера на вече познатата реакция между въглероден диоксид и водород.
Равновесната константа на тази реакция се изразява с уравнението
Да приемем, че след установяването на равновесието сме увеличили концентрацията на водород в сместа от газове. Тъй като съотношението за този процес е постоянно, увеличаването на знаменателя на фракцията (концентрацията на водород) трябва да наруши равновесието и да ускори реакцията, което ще допринесе за намаляване на знаменателя при увеличаване на числителя, т.е. реакцията на превръщане на въглероден диоксид и водородни молекули във въглероден оксид и водни молекули.
Когато в резултат на ускоряването на тази реакция се възстанови предишното съотношение между реагиращите вещества, равновесието ще се установи отново, но концентрацията на въглероден диоксид ще бъде по-малка, отколкото е била преди добавянето на водород, а концентрациите на водна пара и въглероден оксид ще се увеличат. Същият резултат очевидно ще се получи при увеличаване на концентрацията на въглероден диоксид (както установихме още по-рано) или при намаляване на концентрацията на въглероден оксид или водни пари. Във всички тези случаи равновесието ще се измести към образуването на въглероден окис и водна пара. Напротив, увеличаването на концентрациите на въглероден оксид и водни пари или намаляването на концентрациите на въглероден диоксид и водород ще предизвика обратния ефект, т.е. изместване на равновесието към образуването на нови количества въглероден диоксид и водород. От всичко казано по-горе могат да се направят два много важни извода:
1. За да се използва възможно най-пълноценно едно от веществата, влизащи в обратима реакция, е необходимо да се действа върху него с излишък от друго вещество.
2. Ако един от реакционните продукти съглтъй като неговото образуване е отстранено от сферата на взаимодействие, тогава равновесието непрекъснато ще се измества към образуването на този продукт и по този начин обратимата реакция може практически да бъде доведена до край.
Така например, ако водата, образувана по време на взаимодействието на въглероден диоксид и водород, непрекъснато се отстранява от реакционната смес, тогава тези газове могат да бъдат напълно превърнати във въглероден оксид и водна пара.
По същия начин, когато водородът преминава през нагрята желязна скала (виж стр. 190), последната се превръща напълно в метално желязо, тъй като водната пара, образувана по време на реакцията, непрекъснато се отстранява от реакционната сфера заедно с излишния водород. В затворен съд същата реакция не достига до края.
Постоянството на съотношението между концентрациите на реагиращите вещества при равновесие позволява да се направят редица много важни изчисления. Представяме няколко типични примера за такива изчисления за най-простите реакции.
Пример1.Обратимата реакция се изразява с уравнението: A+ B⇄2C. При равновесие концентрациите и на трите вещества бяха: [A] = [B] = 3mol/l;[C] = 4mol/l.Изчислете равновесната константа и началните концентрации на вещества A и B.
За дадена реакция равновесната константа се изразява с уравнението
Замествайки стойностите на концентрациите тук, намираме:
За да се определят началните концентрации на вещества А и В, трябва да се вземе предвид, че според уравнението на реакцията две молекули С се образуват от една молекула А и една молекула В. От това следва, че 2 мола А и 2 мола В се изразходват за образуването на 4 мола С. Така първоначалните концентрации на А и В са били 5 мола на литър всеки.
Пример2.Равновесната константа за реакцията A + B ⇄ C + D е две. Изчислете концентрациите на всичкичетири вещества в равновесие, ако първоначалните концентрации на вещества А и В са били:
От уравнението на реакцията може да се види, че от всеки грам молекула A и B се образува по един грам молекула C и D.
[C] = [D] =x;[A] = 5 -x;[B] = 1 -xКато заместим тези количества в уравнението на равновесната константа, получаваме:
Отхвърляйки първото решение като невъзможно, намираме концентрациите в равновесие:
[C] \u003d [D] = 0,9mol / l;[A] = 4,1mol / l;[B] = 0,1mol / l