5.5. Что такое состояние химического равновесия? Какие факторы влияют на его смещение?

Большинство процессов, протекающих в природе и рассматриваемых в физике и химии, являются обратимыми, т.е., они при некоторых условиях могут протекать как в прямом, так и в обратном направлении. Простейшим примером обратимых процессов является изменение агрегатного состояния вещества. Так, плавление (таяние) льда – процесс, обратный замерзанию (кристаллизации) жидкой воды. Следует отметить, что данные процессы являются физическими, а не химическими, т.к. в них не происходит изменения химической природы вещества (т.е., сами молекулы воды не претерпевают изменений).

Свойством обратимости обладают и химические реакции. Например, сгорание водорода с образованием воды – процесс, обратный реакции электролиза (разложения электрическим током) воды на газообразные водород и кислород:

2Н_{2 (г.)} + О_{2 (г.)} ↔ 2Н₂О _(ж.)

СОСТОЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ – такое состояние системы, при котором скорости прямого и обратного процессов равны. Равновесие может существовать только в замкнутой системе (содержащей постоянное количество вещества при постоянной температуре).

СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ (прямой или обратной) определяется как изменение концентрации вещества (исходного или продукта) в единицу времени. Т.е., чем быстрее вещество расходуется или образуется, тем выше скорость процесса:

v = ± dC / d

ЗАКОН ДЕЙСТВУЮЩИХ МАСС устанавливает, что скорость реакции напрямую зависит от концентраций реагирующих веществ в данный момент времени. Для прямой реакции (сгорания Н₂) и для обратной реакции (разложения Н₂О) скорость выразится так:

v_прям. = К_прям.·[Н₂]²·[О₂];

v_обр. = К_обр.·[Н₂О]²

В случае равенства v_прям и v_обр. состояние равновесия описывается константой равновесия К_р:

[Н₂]²·[О₂]

К_р = –––––––––

[Н₂О]²

Зависимость скорости реакции от концентрации веществ (т.е. от числа реагирующих частиц в единице объёма) напрямую вытекает из хаотического характера движения молекул. Чем выше концентрация, тем больше вероятность результативного соударения молекул.

Влияние различных факторов на смещение равновесия устанавливает ПРИНЦИП Ле ШАТЕЛЬЕ: Если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, оказать внешнее воздействие, то РАВНОВЕСИЕ СМЕЩАЕТСЯ в направлении, которое противодействует этому изменению. Этот принцип часто понимается в более широком смысле; он используется и в других науках при описании равновесных процессов самой разной природы, например, в экологии и в общественных науках.

К факторам, влияющим на смещение равновесия, относятся КОНЦЕНТРАЦИИ (продуктов, реагентов) и ТЕМПЕРАТУРА системы. На смещение равновесия НЕ ВЛИЯЕТ НАЛИЧИЕ КАТАЛИЗАТОРОВ (веществ, способных увеличивать скорость реакций). Это объясняется тем, что катализаторы одновременно в равной степени ускоряют и прямой, и обратный процесс.

Принцип действия катализаторов состоит в том, что они понижают величину энергии активации (Е_А) – избыточной энергии, которую необходимо приложить к системе для того, чтобы реакция пошла в заданном направлении (Рис. 7). При этом чем выше оказывается выигрыш в энергии (Е), тем более эффективен катализатор.

Существуют также вещества, которые, напротив, замедляют ход тех или иных реакций. Такие вещества называются ИНГИБИТОРАМИ. Как нетрудно догадаться, сущность их действия состоит в увеличении энергии активации.

Рис. 7. Понижение Е величины энергии активации Е_А в присутствии катализатора