7.4. Обратимые реакции. Химическое равновесие
Обратимыми называются реакции, которые могут протекать как в прямом, так и в обратном направлении: А + В С + D.
Особенность обратимых реакций состоит в том, что они не идут до конца, в системе всегда остается каждое из исходных веществ. Обратимых реакций очень много как в неорганической, так и в органической химии. Например,
3Н2 + N2 2NH3
C2H4 + H2O C2H5OH
Для реакции в общем виде А + В С + D
прямая реакция обратная реакция
Константы скоростей прямой и обратной реакции не равны.
Химическим
равновесием
называется такое состояние системы,
при котором скорость прямой реакции
равна скорости обратной реакции:
.
В этом случае
=
,
откуда
.
Для реакции в общем виде с учетом стехиометрических коэффициентов аА + bB cC + dD
.
Величина, равная отношению произведений равновесных концентраций продуктов реакции к произведению равновесных концентраций исходных веществ в степенях их стехиометрических коэффициентов, называется константой равновесия химической реакции Кравн.
.
Константа равновесия зависит только от температуры, и не зависит от концентрации веществ, от давления, наличия и отсутствия примесей.
Как и в случае выражения для скорости реакции в выражение для константы реакции входят концентрации только газообразных и жидких веществ, а твердые вещества не учитываются. Приведем несколько примеров.
-
Реакция
Выражение для Кравн
2SO2 + O2 2SO3
Fe3O4 (кр) + 4CO 3Fe (кр) + 4CO2
Н2О Н+ + ОН
Величина Кравн показывает, насколько продвинулась реакция в прямом направлении, достигнув состояния равновесия. Чем больше численное значение константы равновесия, тем более полно протекает реакция, и тем больше концентрация продуктов реакции.
За возможность и глубину протекания процесса в термодинамике отвечает термодинамическая функция состояния – энергия Гиббса. Очевидно, что константа равновесия и энергия Гиббса должны быть связаны.
Математическая связь между константой равновесия и термодинамическими функциями состояния выражается зависимостью:
G0 = RT ln Kравн.
По величине G можно вычислить Kравн, а затем и равновесные концентрации реагентов. Из уравнения непосредственно следует, что чем больше отрицательные значения G, тем большее значение имеет Кравн, и в равновесной системе будут преобладать продукты реакции.
7.5. Факторы, влияющие на химическое равновесие. Принцип Ле Шателье
Химическое равновесие, которое устанавливается при равенстве скоростей прямой и обратной реакции, отвечает значению Gр,Т = 0 и является наиболее устойчивым состоянием системы при заданных условиях. Если изменяются условия, то равновесие нарушается и смещается в сторону прямой или обратной реакции. Через некоторое время система переходит в новое равновесное состояние с иными равновесными концентрациями.
Химическое равновесие является динамическим (подвижным). Изменение условий по-разному влияет на скорость прямой и обратной реакции. Если скорость прямой реакции становится больше скорости обратной, то равновесие смещается вправо. И наоборот, равновесие смещается в левую сторону, если преобладает скорость обратной реакции.
Направление смещения равновесия при изменении внешних условий (температуры, давления, объема, концентрации веществ, участвующих в реакции) определяется правилом, сформулированным в 1884 году французским химиком Анри-Луи Ле Шателье.
Это правило носит название принцип Ле Шателье:
Если на систему, находящуюся в равновесии, оказать какое-либо воздействие, то равновесие сместится в таком направлении, что оказанное воздействие будет ослаблено.
Принцип Ле Шателье применим к химическим равновесным процессам, а также к физическим процессам, не связанным с химическими превращениями (кипение, кристаллизация, растворение, адсорбция и т.п.).