4.2 . Гетерогенді және гомогенді жүйелердегі химиялық тепе-теңдік. Ле Шателье принципі .

Көптеген реакциялар бір бағытта жүреді. Мысалы, 2КСІО₃ ® 2 КСІ + 3 О₂ ,

2Na + 2 H₂ O ® 2 NaOH + H₂ , оларды қайтымсыз реакциялар деп атайды. Бірдей жағдайда қарама – қарсы екі бағытта жүретін реакцияларды қайтымды деп атайды. N₂ + 3 H₂ « 2 NH₃ , Fe₃ O₄ + 4H₂ « 3 Fe + 4 H₂ O

Солдан оңға қарай жазылған реакцияны тура , оңнан солға жазылған реакцияны кері реакция деп атайды. Қайтымсыз реакция деп атау тек шартты түрде ғана. Химиялық реакция жүрген кезде алғашқы заттардың концентрациялары азаяды , олай болса, әрекеттесуші массалар заңы бойынша реакция жылдамдығы да азаяды. Егер реакция қайтымды болса, белгілі бір уақыт өткен соң кері реакцияның жылдамдығы арта бастайды , себебі реакция нәтижесінде пайда болған заттар концентрациялары артады. Тура және кері реакциялар жылдамдықтары теңескенде химиялық тепе- теңдік орнайды, енді реакцияға қатысатын заттардың концентрациялары ары қарай өзгермейді. Егер жалпы теңдеуді былай жазса а А + b В « с С + d D , онда тура реакция жылдамдығы u_® = k_® [A]^a × [B]^b ; u _¬ = k _¬ [C]^c × [D]^d тепе – теңдік кезінде u_® = u _¬ , олай болса, k_® [A]^a × [B]^b = k _¬ [C]^c × [D]^d сонда, k_® / k _¬ = К _т – реакцияның тепе-теңдік константасы болады. Тепе-теңдік константасына кіретін концентрацияларды тепе-теңдік концентрациялары деп атайды. Сонымен, тепе-теңдік константасы сол температурада тұрақты шама , реакция нәтижесінде түзілген заттардың тепе-теңдік концентрациялары көбейтіндісінің реакцияға түскен заттардың тепе-теңдік концентрациялары көбейтіндісіне қатынасын көрсетеді: К _т = [C]^c × [D]^d / [A]^a × [B]^b Тепе-теңдік константасы - реакцияның маңызды сипаттамасы, оның мәні көп болған сайын , реакция «тереңірек» жүреді, яғни реакция нәтижесінде түзілген заттардың шығымы жоғары болады. Гетерогенді реакциялар үшін тепе-теңдік константасы мәніне де қатты заттардың концентрациясы кірмейді, реакциялар жылдамдығы мәніне кірмеген сияқты.

Химиялық тепе-теңдік кезінде реакциялар тоқтамайды, тек қарама-қарсы реакциялардың жылдамдықтары теңеседі, уақыт бірлігінде түзілген заттар молекулаларының саны реакцияға түскен заттар молекулалары санына тең болады. Олай болса, химиялық тепе-теңдік динамикалық, жылжымалы болады. Химиялық тепе-теңдік кезінде жүйеде Гиббс энергиясы өзгермейді, DG = 0, DH = T DS , DG° = - RT ln K , DG°₂₉₈ (кДж) = - 5,71 lg K₂₉₈ не DG°₂₉₈ (кДж) = - 19,1 Т lg K - тепе-теңдік константасы мен Гиббс энергиясы арасындағы қатынас. Тепе-теңдік константасы реакцияласатын заттар табиғатына және температураға тәуелді , ал концентрацияларына тәуелді емес. Эндотермиялық реакциялар үшін температураны көтерсе, тепе-теңдік константасы жоғарылайды, ал экзотермиялық реакцияларда – азаяды. Тепе-теңдік константасы (егер қысым онша жоғары болмаса) қысымға тәуелді емес. Тепе-теңдік константасының энтальпиялық және энтропиялық факторларға тәуелділігі оған реагенттер табиғаты әсер ететіндігін көрсетеді. Сонымен бірге, тепе-теңдік костантасы мәніне катализатор қатысы да әсер етпейді, ол тура және кері реакциялардың активтену энергияларын бірдей өзгертетіндіктен олардың жылдамдықтарын да бірдей өзгертеді. Катализатор тек жүйенің тепе-теңдік жағдайына келуін тездетеді, бірақ реакция нәтижесінде түзілетін заттардың шығымына әсер етпейді. Әлсіз электролиттердің ( электролиттік диссоциация) диссоциация константасы, комплекс иондардың тұрақсыздық константасы, судың иондық көбейтіндісі, ерігіштік көбейтіндісі – бұл шамалар қайтымды процестерді сипаттайтындықтан тепе-теңдік константалары болады.

Ле Шателье принципі. Жағдайды өзгертпесе тепе-теңдікке келген жүйенің күйі сақталады. Сыртқы жағдайдың ( реагенттер концентрацияларының, қысымның , температураның )өзгеруінің тепе-теңдікке әсерін Ле Шателье принципін (жылжымалы тепе-теңдік принципін) қолдану арқылы анықтауға болады: Химиялық тепе-теңдік күйге келіп тұрған жүйенің жағдайының біреуін өзгерту, тепе-теңдікті сол өзгертуге қарсы әрекет туғызатын реакция бағытына қарай ығыстырады:

Температура әсері. Температура көтерілгенде тепе-теңдік эндотермиялық реакция бағытына қарай, ал температура төмендегенде экзотермиялық реакция бағытына қарай ығысады(Вант-Гофф заңы - Ле Шателье принципінің жеке бір түрі 2СО + О₂ « 2СО₂ , DН < 0 ; N₂ O₄ « 2 NO₂ , DH > 0 .

Қысымның әсері. Тепе-теңдікте тұрған жүйенің сыртқы қысымын көбейткенде тепе-теңдік жүйедегі молекулалардың жалпы саны азаятын реакцияның бағытына қарай , яғни жүйенің ішкі қысымы кемитін жаққа қарай ығысады. Керісінше, сыртқы қысымды кеміткенде тепе-теңдік жүйедегі молекулалардың жалпы саны көбейетін бағытына қарай , яғни ішкі қысымның өсуі жағына қарай ығысады. Мысалы,

N₂ + 3 H₂ « 2 NH₃ тепе-теңдіктің сол жағында 4 молекула, оң жағында 2 молекула , сонда сыртқы қысым арттқанда тепе-теңдік оң жаққа , аммиак түзілетін жаққа ығысады.

Тепе-теңдіктің екі жағындағы молекулалар саны бірдей болса, N₂ + O₂ « 2NO , онда қысымды өзгерту тепе-теңдікке әсер етпейді.

Концентрацияның әсері. Реакцияға түсетін заттардың концентрацияларын арттырса, тепе-теңдік сол концентрациялардың азаятын жағына, яғни реакция өнімі түзілетін жаққа ығысады (тура реакция жүреді). Керісінше, азайтса, реакция нәтижесінде түзілген өнімнің айрылуы жүреді, кері реакция жүреді.

Реакция нәтижесінде түзілген заттар айрылмас үшін оларды ( не біреуін)реакциядан шығарса, тепе-теңдік сол шығарылған заттың орнын толтыратын жаққа қарай ығысады, яғни реакция аяғына дейін жүреді. Мысал 1: 2СО₂ « 2СО + О₂ реакциясы үшін 2000°С температурада тепе-теңдіктегі қоспадағы заттардың көлемдік үлестері, % : 85,2 СО₂ ; 9,9 СО және 4,9 О₂ болса, жүйенің жалпы қысымы 1,013×10⁵ Па болса, а. реакцияласатын заттардың парциалды қысымдары арқылы көрсетілген (К_р ) ; б. молярлы концентрациялары арқылы көрсетілген ( К_с) тепе-теңдік константалары нешеге тең? Шешуі: газдың парциалды қысымы жалпы қысымды қоспадағы газдың көлемдік үлесіне көбейткенге тең: а) р( СО₂) = 1,013×10⁵ ×0,852 = 0,863×10⁵ Па;

б) р( СО) = 1,013×10⁵ ×0,099 = 0,1×10⁵ Па; в) р( О₂) = 1,013×10⁵ ×0,049 = 0,050×10⁵ Па;

К_р = р (СО)² × р (О₂) / р(СО₂)² = 67,1 Па; К_с = К_р / RT = 67,1/ 8,31×2273 = 3,6×10^-3 моль/л. К_р мен К_с арасындағы байланыс идеал газдар үшін Менделеев – Клапейрон теңдеуі арқылы көрсетіледі:

К_р = К_с (RT)^Dn мұндағы Dn – реакция нәтижесінде түзілген газ тәріздес заттардың моль саны мен реакцияға түскен газ тәріздес заттардың моль сандарының айырымы, осы реакция үшін ол Dn = 3 – 2 = 1 болады. Мысал 2: Газ тәріздес мына заттар А + 2 В = C әрекеттескенде , тепе-теңдік ол заттардың концентрациялары сәйкесінше мына сандарға тең болғанда 0,06 моль/л, 0,12 моль/л, 0,216 моль/л орнаған болса, реакцияның тепе-теңдік константасын және А мен В заттарының алғашқы концентрацияларын табу керек. Шешуі: К = [ С] / [А]× [В]² ; К = 0,216 / 0,06×(0,12)² = 2,5. 1 моль А және 2 моль В заттарынан 1 моль С заты түзіледі. Есеп шарты бойынша жүйенің әр литрінде 0,216 моль С заты түзіледі, сонда 0,216 моль А және

0,216×2 = 0,432 моль В заты түзіледі. Олай болса, алғашқы концентрациялар

[А]₀ = 0,06 + 0,216 = 0,276 моль/л; [В]₀ = 0,12 + 0,432 = 0,552 моль/л.

Мысал 3: Егер НІ қышқылының белгілі бір температурада диссоциация константасы 6,25×10^-2 болса, осы температурада қышқылдың қанша пайызы диссоциацияға түседі? Шешуі:

2НІ « Н₂ + І₂ қышқылдың диссоциациялану реакциясы. Егер қышқылдың алғашқы концентрациясын С,моль/л деп белгілеп тепе-теңдік орнаған кезде қышқылдың әр С мольдерінен х моль диссоциациаланса, онда теңдеуден көрініп тұрғандай 0,5 х моль Н₂ және 0,5х моль І₂ түзіледі. Олай болса, тепе-теңдік концентрациялар: [ НІ] = (С- х) моль/л ; [ Н₂] = [ I₂] = 0,5 x моль/л. Тепе-теңдік константасы К = [ Н₂] × [ I₂] / [ НІ]² ; 6,25 = 0,5х ×0,5х / ( С - х)² , одан

х = 0,333 С . Олай болса, тепе-теңдік орнағанда иодты сутектің алғашқы мөлшерінің 33,3% ыдыраған. Сонымен,

Сыртқы жағдай (температура, қысым, концентрация) өзгермесе, химиялық тепе-теңдік ұзақ уақыт сақталады. Сыртқы жағдайлардың өзгеруі тура реакция мен кері реакцияның жылдамдығына түрліше әсер ететіндіктен, тепе-теңдік реакция тура реакцияның немесе кері реакцияның бағытына қарай ығысады. Сыртқы жағдайдың өзгеруіне байланысты химиялық тепе-теңдік белгісі бір бағытқа ығысуын Ле-Шателье принципі анықтайды.

4. ТЕПЕ-ТЕҢДІК КҮЙДЕ ТҰРҒАН ЖҮЙЕНІҢ СЫРТҚЫ ЖАҒДАЙЛАРЫНЫҢ БІРІ ӨЗГЕРСЕ ТЕПЕ-ТЕҢДІК СОЛ ӨЗГЕРІСКЕ ҚАРСЫ ӘСЕР ЕТЕТІН ПРОЦЕСТІҢ БАҒЫТЫНА ҚАРАЙ ЫҒЫСАДЫ.

N₂(г) + 3H₂(г) ↔ 2NH₃ (г) + Q

Тура реакция жылу бөліп шығара жүретін (экзотермиялық), ал кері реакция жылу сіңіре жүретін (эндотермиялық) екені көрсетілген. Сондықтан температураны жоғарылатса, Ле-Шателье принципі бойынша, химиялық тепе-теңдік бұл өзгеріске қарсы әсер ететін бағытта, яғни температураны төмендететін эндотермиялық реакцияның бағытына қарай ығысады. Егер жүйенің температурасын төмендетсе, онда химиялық тепе-теңдік оны төмендететін, яғни жылу шығара жүретін NH₃-тің түзілу бағытына қарай ығысады.

Ле-Шателье принципі бойынша, жүйенің қысымын жоғарылатса, химиялық тепе-теңдік осы қысымды азайтатын, яғни газдардың көлемдері немесе моль сандары аз заттар түзілетін реакцияның бағытына қарай ығысады, яғни NH₃ түзілу бағытына қарай ығысады.

Ле-Шателье принципі бойынша бір заттың концентрациясының кебеюі химиялық тепе-теңдікті сол заттың концентрациясын азайтатын реакцияның бағытына қарай ығысады.

Ле-Шателье принципіне сәйкес аммиакты алу реакцияны тура бағытта, яғни қайтымсыз етіп жүргізу үшін, оны жоғары қысымда, төмен температурада және N₂ мен H₂ жеткілікті мөлшерде, ал NH₃-ті бөліп алу арқылы азайта отырып, жүргізу керек.

Осы дәріс материалымен танысқан соң, мына мағлұматтарды :

Гомогенді, гетерогенді жүйелер деген ұғымдарды, реакцияның жылдамдығы, оған әсер ететін факторлар, әсер етуші массалар заңын, химиялқ тепе-теңдік, Ле Шателье принципі туралы ұғымдарды білу керек.

Өзін - өзі тексеру сұрақтары:

1.Қандай реакцияларды гомогенді, гетерогенді деп атайды?

2.Химиялық реакциялардың жылдамдығы дегеніміз не?

3.Гомогенді, гетерогенді реакциялардың жылдамдығы қандай факторларға байланысты?

4.Массалар әсерлесу заңын оқыңдар. Жылдамдық қонстантасының мәнін анықтаңдар.

5.Химиялық реакциялардың жылдамдығы температураға байланысты неге және қалай өзгереді?

6.Активтену энергиясы деген не?

7.Химиялық тепе-теңдік дегеніміз не? Тепе-теңдіктің ығысуына қандай факторлар әсер етеді? Мысал келтіріңдер.

8.Ле-Шателье принципінің маңызы.

Осы тақырып бойынша көрсетілген әдебиеттердің мына беттерін оқу керек:

1.Омаров Т.Т., Танашева М.Р. Бейорганикалық химия.Алматы: ЖШС РПБК «Дәуір», 2008. 330--360 беттер.

2.Кулажанов К.С., Сулейменова М.Ш. Неорганическая химия. Учебник для студентов специальностей 5В072700 и 5В072800, обучающихся по кредитной технологии/ Алматы: 2012. 121-138 стр.

3.Кабдулкаримова К.К., Омарова Н.М.,Абекова Р.С. Жалпы химия курсы бойынша есептер мен жаттығулар. – Семей,2012 – 24-34 беттер.