В случае химической несовместимости компоненты смеси вступают в химическую реакцию, что приводит к изменению состава вещества. Однако химическая реакция не всегда может быть воспринята как признак несовместимости. Иногда взаимодействие не только вредно, но и необходимо и желательно.
Анри Луи Ле Шателье был французским химиком, родившимся в семье ученых. Он изучал химические реакции, связанные с авариями в горной промышленности и металлургии, и участвовал в исследовании воспламенения рудничного газа. Ле Шатле разработал термоэлектрический пирометр (оптический прибор для определения температуры нагретых тел по их цвету) и гидравлические тормоза для железнодорожных поездов, а также изобрел оксиацетиленовую сварку.
При воздействии внешней силы на систему, находящуюся в равновесии, процесс, приводящий к ослаблению этой силы, усиливается в этой системе, и состояние равновесия смещается в том же направлении.
Факторы, которые влияют на смещение равновесия
1. изменение температуры
Отметим, что прямая и обратная химические реакции имеют одинаковые по величине, но разные по знаку тепловые эффекты. Если повысить температуру системы, то химическое равновесие будет смещаться в сторону охлаждения системы, соответственно при понижении — в сторону нагрева системы. Если прямая реакция — экзотермическая (Q>0), равновесие смещается влево при нагревании, и если прямая реакция эндотермична (Q<0), то вправо.
Если температура повышается, равновесие смещается в сторону охлаждения системы, то есть в сторону эндотермической реакции, а если температура понижается, оно смещается в сторону нагревания системы или экзотермической реакции.
2. изменение давления
Давление влияет на обратимые процессы с участием газообразных веществ только путем изменения числа молекул в системе. Чтобы понять, влияет ли давление на смещение химического равновесия, рассчитайте все коэффициенты только для газообразных соединений с левой и правой стороны.
При увеличении давления равновесие смещается в сторону меньшего числа молекул газообразного соединения, а при уменьшении давления равновесие смещается в сторону большего числа молекул газообразного соединения. Если реакция протекает без изменения числа молекул, то изменение давления не влияет на смещение равновесия.
3. 3 Изменение объема
Изменение объема напрямую связано с изменением давления. Если вы увеличиваете объем реакционного сосуда, давление уменьшается. Если вы уменьшаете объем реакционного сосуда, давление увеличивается. Узнав, как ведет себя давление в реакционном сосуде, сделайте вывод на основании шага 2.
Давайте воспользуемся практическим примером, чтобы понять, как это работает. Например, мы решили приготовить чай во френч-прессе. В момент ферментации плунжер поднимается вверх, т.е. давления на створки нет, и объем максимален. Когда мы опускаем плунжер, объем уменьшается, а давление увеличивается. Кроме того, чайные листья больше не могут свободно плавать в объеме френч-пресса. Следовательно, когда плунжер поднимается, объем увеличивается, а давление уменьшается. Таким образом, препарат может снова занять весь предусмотренный объем. Поскольку мы знаем, как изменяется давление, мы можем сделать выводы из пункта 2.
4. изменение концентрации веществ
Если добавить или убрать определенное количество вещества, участвующего в реакции, концентрация всей системы изменится. Это приводит к смещению химического равновесия. Если из равновесной системы удалить небольшое количество химического реактива, то равновесие сместится в сторону реакции, в результате которой образуется это вещество. Если в систему добавляется реактив, равновесие смещается в сторону той химической реакции, которая приводит к потреблению вещества.
При увеличении концентрации исходных веществ и удалении продуктов реакции равновесие смещается в сторону прямой реакции и наоборот.
5. добавление катализатора или ингибитора
Напомним, что катализатор — это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но не участвует в ней. Ингибитор — это вещество, которое замедляет реакцию и не участвует в ней.
Катализатор и ингибитор не влияют на смещение химического равновесия.
Это происходит потому, что катализатор ускоряет как прямую, так и обратную реакции. Таким образом, равновесное состояние не меняется.
Константа химического равновесия
Константа равновесия — это величина, указывающая на соотношение между концентрациями продуктов реакции и исходных веществ, которое имеет место при равновесии.
При постоянной температуре константа равновесия остается постоянной величиной. Он рассчитывается на основе экспериментальных данных и определяет равновесные концентрации как исходных веществ, так и продуктов реакции при заданной температуре.
Значение константы равновесия характеризует выход продуктов реакции, т.е. полноту реакции.
Если константа равновесия численно больше 1, это означает, что концентрации продуктов реакции преобладают над исходными веществами. Если константа меньше 1, выход продукта низкий, а концентрация исходных веществ выше.
Рассмотрим обратимую реакцию образования йодистого водорода из йода и водорода:
Напишем константу равновесия для реакции с учетом всех стехиометрических коэффициентов:
Мы также можем выразить константу равновесия для обратимой химической реакции:
Если мы знаем числовые значения для каждой концентрации, мы можем выразить константу в виде числа.
Для гетерогенных реакций используются только концентрации веществ в газовой или жидкой фазе. В качестве примера рассмотрим взаимодействие углекислого газа с двуокисью углерода:
Константа равновесия для этой реакции может быть записана следующим образом:
Константа не зависит от присутствия катализатора, так как катализатор изменяет скорость прямой и обратной реакции в одинаковой степени. Катализатор может только ускорить наступление равновесия, но не влияет на значение константы равновесия.
4.4. Обратимые и необратимые химические реакции. Химическое равновесие. Смещение химического равновесия под действием различных факторов.
Необратимые реакции — это реакции, которые протекают только в одном направлении (вперед →):
То есть, если реакция A + B = C + D является необратимой, это означает, что обратная реакция C + D = A + B не происходит.
Обратимые реакции — это реакции, которые протекают как в прямом, так и в обратном направлении (⇄):
Это означает, что если, например, реакция A + B = C + D является обратимой, то это означает, что одновременно протекают и реакция A + B → C + D (прямая), и реакция C + D → A + B (обратная).
Поскольку происходят как прямые, так и обратные реакции, реактивами (исходными веществами) в обратных реакциях могут быть как вещества в левой части уравнения, так и вещества в правой части уравнения. То же самое относится и к продуктам.
Однако обычно предполагается, что реактивами в данном уравнении обратной реакции являются вещества в левой части уравнения, а продуктами — вещества в правой части, т.е:
В любой обратимой реакции возможно, чтобы скорости прямой и обратной реакций были равны. Такое состояние называется состоянием равновесия.
В равновесном состоянии концентрация как реактантов, так и продуктов постоянна. Концентрации продуктов и реактивов в равновесном состоянии называются равновесными концентрациями.
Смещение химического равновесия под действием различных факторов
Равновесие системы может быть нарушено внешним воздействием на систему, например, изменением температуры, давления или концентрации сырья или продуктов. Однако после устранения этого внешнего воздействия система через некоторое время возвращается в новое состояние равновесия. Этот переход системы из одного равновесного состояния в другое равновесное состояние называется сдвигом равновесия.
Чтобы определить, как смещается химическое равновесие при определенном типе воздействия, полезно применить принцип Ле Шателье:
Если на равновесную систему воздействуют извне, то направление смещения химического равновесия совпадает с направлением этой реакции, тем самым ослабляя эффект оказываемого влияния.
Влияние температуры на состояние равновесия
При изменении температуры равновесие любой химической реакции смещается. Это происходит потому, что каждая реакция имеет тепловой эффект. Однако тепловые эффекты прямой и обратной реакций всегда прямо противоположны. То есть, если прямая реакция экзотермична и имеет тепловой эффект, равный +Q, то обратная реакция всегда эндотермична и имеет тепловой эффект, равны й-Q.
Таким образом, если повысить температуру равновесной системы, то, согласно принципу Ле Шателье, равновесие смещается в сторону той реакции, температура которой понижается, то есть в сторону эндотермической реакции. Если снизить температуру равновесной системы, то равновесие смещается в сторону той реакции, которая приводит к повышению температуры, т.е. экзотермической реакции.
Например, рассмотрим следующую обратимую реакцию и укажем, куда смещается равновесие при понижении температуры:
Как видно из приведенного выше уравнения, прямая реакция является экзотермической, т.е. выделяет тепло. Поэтому обратная реакция является эндотермической, т.е. реакцией, поглощающей тепло. Согласитесь, температура снижается, и равновесие смещается вправо, т.е. в сторону прямой реакции.
Влияние концентрации на химическое равновесие
Увеличение концентрации реагента в соответствии с принципом Ле Шателье должно привести к смещению равновесия в направлении реакции, потребляющей реагент, т.е. в направлении прямой реакции.
И наоборот, если концентрация реагентов уменьшается, равновесие смещается в направлении реакции, в которой образуются реагенты, то есть в направлении обратной реакции (←).
Изменение концентрации продуктов реакции происходит аналогичным образом. Если концентрация продуктов увеличивается, равновесие смещается в сторону реакции, которая приводит к потреблению продуктов, т.е. обратной реакции (←). Если, с другой стороны, концентрация продуктов уменьшается, равновесие смещается в направлении прямой реакции (→), так что концентрация продуктов увеличивается.
Влияние давления на химическое равновесие
В отличие от температуры и концентрации, изменение давления не влияет на равновесное состояние реакции. Чтобы химическое равновесие было смещено изменением давления, суммы коэффициентов перед газами в левой и правой частях уравнения должны быть разными.
