4.3. Химическое равновесие

Система находится в равновесии, если её состояние не изменяется во времени. Подвижное динамическое равновесие сохраняется во времени не из-за отсутствия процесса, а вследствие его протекания в двух противоположных направлениях с равными скоростями. Равенство скоростей прямой и обратной реакции - условие сохранения равновесия системы.

Примером обратимой реакции является реакция

H₂ + I₂2HI

Изменение скоростей прямой (v₁) и обратной (v₂) реакций во времени представлены на графике:

В начальный момент времени в системе имеются лишь исходные вещества H₂ и I₂, и отсутствует HI, поэтому v₁ имеет максимальное значение, а v₂ равно 0. В процессе реакции v₁ уменьшается с уменьшением [H₂] и [I₂], а v₂ увеличивается с увеличением [HI] до тех пор, пока не установится равновесие, то есть v₁ станет равной v₂.

Для равновесия имеем: v₁ = v₂ или k₁[H₂][I₂] = k₂·[HI]² или

, где К - константа равновесия.

Закон действия масс: отношение произведения концентраций продуктов реакции к произведению концентраций исходных веществ, все концентрации в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам, есть постоянная, называемая константой равновесия.

Для mA + nBpC + qD имеем: K =

Для N₂ + 3H₂2NH₃ имеем: K =

Константа равновесия - это количественная мера прямой реакции данного уравнения.

К=0 - прямая реакция не идет;

К= - прямая реакция идет до конца.

К>1 - равновесие сдвинуто вправо;

К<1 - равновесие сдвинуто влево.

Константа равновесия реакции К связана с величиной изменения стандартной энергии Гиббса G  для этой же реакции:

G  = -RTlnK или G  = -2,3RTlgK или К = 10^{-0,435 G /RT}

Если К>1, то lgK>0 и G <0, то есть, если равновесие сдвинуто вправо, то реакция - переход от исходного состояния к равновесному - идет самопроизвольно.

Если К<1, то lgK<0 и G >0, то есть, если равновесие сдвинуто влево, то реакция самопроизвольно вправо не идет.

Константа позволяет рассчитать количества веществ в момент равновесия.

Пример. В объёме, равном 1 л смешали 1 моль Н₂ и 1 моль I₂. Найти равновесные концентрации веществ, если К=4.

Решение. Имеем H₂ + I₂2HI

С_нач 1 1 0

С_равн 1-x 1-x 2x

K = = (2x)²/(1-x)² = 4; 2x/(1-x) = 2; 2x =2-2x, 4x=2, x=0,5. В момент равновесия имеем [H₂] = [I₂] = 0,5М; [HI] = 1М.

Закон смещения равновесия. Если на систему, находящуюся в равновесии, оказывается внешнее воздействие, в системе возникает процесс, который противодействует внешнему воздействию.

Действие температуры. Увеличение температуры сдвигает равновесие в сторону эндотермической реакции. Уменьшение температуры - в сторону экзотермической реакции.

Действие давления. Повышение давления сдвигает равновесие в сторону меньшего числа газообразных молекул. Понижение давления - в сторону большего числа газообразных молекул.

Действие концентрации. Увеличение концентрации вещества сдвигает равновесие в сторону реакции, которая уменьшает количество этого вещества. Уменьшение концентрации - в сторону реакции, которая увеличивает количество этого вещества.

Пример. В какую сторону сместится равновесие

N₂ + 3H₂2NH₃ Н  0

а) при увеличении температуры; б) при увеличении давления; в) при увеличении концентрации водорода?

Решение: а) Поскольку Н  0, то прямая реакция экзотермическая, а обратная эндотермическая. Согласно приведенному выше правилу, равновесие сдвигается влево.

б) Все вещества газообразные, причем в левой части уравнения четыре молекулы, а в правой - две. Равновесие сдвинется вправо.

в) Увеличение концентрации водорода сдвинет равновесие вправо.

5. Растворы.