8.4 Оборотні хімічні процеси. Хімічна рівновага

Є реакції, які відбуваються практично до кінця.

KOH + HCl = KCl + H₂O

BaCl₂ + Na₂SO₄ = BaSO₄↓+ H₂O

Хімічні реакції не завжди відбуваються до кінця, тобто вихідні речовини не завжди повністю перетворюються в продукти реакції.

Більшість реакцій є оборотними (відбуваються в двох протилежних напрямах), в хімічних рівняннях позначаються стрілкою: ↔

2SO₂ + O₂ ↔ 2SO₃

N₂ + 3H₂ ↔ 2NH₃

Розглянемо, як зміняться швидкості реакцій для оборотних хімічних реакцій.

Спочатку система складається з чистих реагентів, іде пряма реакція зі швидкістю υ_пр. Продукти, що утворюються в результаті прямої реакції, створюють можливість для перебігу зворотньої реакції, швидкість якої поступово зростає (υ_зв), у той же час із зменшенням концентрації вихідних речовин швидкість прямої реакції зменшується. Врешті наступає момент (τ_рівн), коли швидкість прямої реакції υ_пр та швидкість зворотньої реакції υ_зв стають однаковими. Такий стан називається хімічною рівновагою (див. рис. 8.3).

Рисунок 8.3 – Залежність υ_пр і υ_зв від часу τ для оборотного процесу

Хімічна рівновага є динамічною, тобто реакція не припиняється, але, оскільки пряма та зворотня реакції проходять з однаковими швидкостями, змін у системі не помітно.

Реакції, які за даних умов відбуваються в двох протилежних напрямах, називаються оборотними

Оборотні реакції позначаються двома протилежно напрямленими стрілками.

Кількісною характеристикою стану хімічної рівноваги є величина, що називається константою хімічної рівноваги. Так, для реакції:

Н₂ + Сl₂ ↔ 2НСl

згідно з законом діючих мас швидкість прямої υ_пр. та зворотньої реакції υ_зв відповідно дорівнюють :

υ_пр. = k₁[Н₂][Сl₂];

υ_зв = k₂[НСl]²

в умовах рівноваги (υ_пр. = υ_зв) можна записати:

k₁[Н₂]_р[Сl₂]_р = k₂[НСl]_р²

або

k₁ ⁄ k₂ = [НСl]_р²⁄ [Н₂]_р[Сl₂]_р

де [Н₂]_р, [Сl₂]_р і [НСl]_р – рівноважні концентрації відповідних сполук, моль/дм³.

Відношення константи швидкості прямої та зворотньої реакцій називається константою рівноваги даної реакції (К_рівн):

звідси

К_рівн = [НСl]_р²/ [Н₂]_р[Сl₂]_р

Для гомогенної реакції в загальному вигляді

а А + в В ↔ с С + d D

Константа рівноваги реакції К_рівн рівна відношенню добутку концентрації продуктів реакції до добутку концентрації вихідних речовин, взятих у степенях, що відповідають стехіометричним коефіцієнтам реакції

Відомо, що швидкість хімічної реакції не залежить від концентрації твердої речовини, тому концентрація твердої речовини не входить у вираз константи рівноваги.

Наприклад, для гетерогенної реакції

СО₂(г)+ С(т)= 2СО(г)

константа рівноваги матиме вигляд:

Для кожної оборотної реакції за даних умов константа рівновага К_рівн є величина стала, вона не залежить від концентрації реагуючих речовин і змінюється тільки зі зміною температури. Якщо відомі концентрацій вихідних речовин і величина константи рівноваги, можна обчислити рівноважні концентрації всіх речовин, і, навпаки, за рівноважними концентраціями легко обчислити константу рівноваги та вихідні концентрації реагуючих речовин.

Приклад 7. Константа рівноваги гомогенної системи

СО(г)+ Н₂О(г) =СО₂(г)+ Н₂(г)

при 850°С дорівнює одиниці. Розрахувати рівноважні концентрації всіх речовин, якщо відомо, що вихідні концентрації:

[СО]_вих. = 3 моль/дм³,

[Н₂О]_вих. = 2 моль/дм³.

Розв’язок.

В умові задачі дано вихідні концентрації, а у вираз константи рівноваги входять тільки рівноважні концентрації всіх речовин. Нехай в момент рівноваги

[СО₂]_рівн. = х моль/дм³.

Число моль водню в момент рівноваги також буде х моль. [СО] буде (3–х) моль/дм³, а [Н₂О] буде (2–х) моль/дм³. Підставивши ці значення концентрацій в рівняння константи рівноваги, одержимо :

x² = 6 – 2х – 3х + x²

5х = 6; x = 1,2 моль/дм³

Таким чином, шукані рівноважні концентрації будуть рівні:

[СО₂]_рівн. = 1,2 моль/дм³

[Н₂ ]_рівн. = 1,2 моль/дм³

[СО]_рівн.= 3 – 1,2 = 1,8 моль/дм³

[Н₂О]_рівн. = 2 – 1,2 = 0,8 моль/дм³

Приклад 8. Реакція перебігає за рівнянням

N₂ +3H₂ ↔ 2NH₃

Концентрації реагуючих речовин:

[N₂]_вих. = 0,8 моль/дм³

[H₂]_вих. = 1,5 моль/дм³

[NH₃]_вих. = 0,1 моль/дм³

Обчислити концентрацію водню та амоніаку в момент, коли [N₂] = 0,5 моль/дм³.

Розв’язок. Концентрація азоту зменшилась на 0,8 – 0,5 = 0,3 моль/дм³. З рівняння видно, що з одного моля N₂ утворюється 2 моля NH₃:

з 1 моля N₂ утворюється 2 моля NH₃

з 0,3 моля N₂ —//— x моль NH₃

x = (0,3·2) ⁄ 1= 0,6 моль/дм³

Отже, NH₃ = 0,1 + 0,6 = 0,7 моль/дм³.

Якщо прореагує 1 моль N₂, то водню прореагує 3 моль

якщо —//— 0,3 моль N₂, то водню —//— х моль

звідси

x = 0,9 моль

Концентрація водню зменшиться на 0,9 моль/дм³. Отже, Н₂ залишиться

1,5 – 0,9 = 0,6 моль/дм³.