Химическое равновесие. Факторы, влияющие на смещение химического равновесия.

Химические реакции могут быть обратимыми и необратимыми.

Необратимыми называются те реакции, которые идут только в одном (прямом) направлении.

Обратимыми же называют те реакции, которые идут как в прямом, так и в обратном направлении.

Рассмотрим пример.

Пусть протекает реакция:

А + В = С + D 

В том случае, если данная реакция необратима, обратный процесс, т.е. взаимодействие С и D с образованием A и B не протекает, а имеет место лишь взаимодействие A и В. Если же, наоборот, данная реакция обратима, то, значит, что имеет место как прямой, так и обратный процесс, т.е. реакция идёт как в прямом, так и в обратном направлении. 

 Примеры обратимых реакций:

N2 + 3H2 = 2NH3

Н2O + СO2 = Н2СO3  

СН3СООН + С2Н5ОН = СН3СООС2Н5 + Н2О

  Примеры необратимых реакций: 

NaOH + HCl = NaCl + H2O

Ca(NO3)2 + 2KF = CaF2 + 2KNO3

Когда только запускается обратимая реакция, то скорости прямого и обратного процесса неодинаковы. Со временем же протекания реакции взаимодействия, в какой-то момент, скорости прямой и обратной реакций выравниваются между собой. И наступает состояние химического равновесия.

Итак, если система находится в состоянии химического равновесия, то скорости прямой и обратной реакций равны между собой. Это в свою очередь и обеспечивает постоянство концентраций реагентов и продуктов реакции. Посмотрим на примерах, что будет происходить с системой, если на неё оказать влияние извне. Оказание воздействие на систему может происходить за счёт следующих факторов:

  1. Изменение концентрации исходных веществ и продуктов реакции
  2. Изменение температуры
  3. Изменение давления (только для реакций с участием газов)

Для того, чтобы определять, каким образом сдвигается химическое равновесие при том или ином воздействии, пользуются принципом Ле Шателье.

«Если на уравновешенную систему действовать извне, то система переходит в такое состояние, в котором эффект внешнего воздействия ослабевает» 

С соответствие в данным принципом мы можем определить направление смещения химического равновесия. Переход системы из одного равновесного состояния в другое равновесное состояние называют сдвигом химического равновесия.

Когда система находится в состоянии химического равновесия, то скорости прямой и обратной реакций равны. При изменении же указанных выше факторов, какая-то из скоростей (или прямой или обратной реакции) будет иметь большее значение по сравнению с другой. В этом и кроется причина смещения(сдвига) химического равновесия.

Влияние изменения концентрации исходных веществ и продуктов реакции на направление смещения равновесия. 

В соответствие с принципом Ле Шателье, можно сказать, что:

При увеличении концентрации реагирующих веществ химическое равновесие системы смещается в сторону образования продуктов реакции, а при увеличении концентрации продуктов реакции химическое равновесие системы смещается в сторону образования исходных веществ.

Важно отметить, то твердые вещества не оказывают влияния на состояние химического равновесия. То есть изменение их количества в системе не приводит ни к какому эффекту!

Рассмотрим реакции:

Заполним таблицы, которые относятся к данным реакциям, в соответствие с вышеописанным правилом. Стрелками будем показывать направление смещения химического равновесия.

 2NO(г) + O2(г) → 2NO2(г)

N2O4(г) ⇄ 2NO2 (г) 

Fe(тв) + 4Н2О(г) ⇄ Fe3О4(тв) + 4Н2(г)

Влияние изменения температуры на направление смещения химического равновесия.

Выделяют экзотермические и эндотермические химические реакции. Экзотермические реакции протекают с выделением тепла в окружающую среду, а эндотермические протекают с поглощением тепла из окружающей среды. То есть эти реакции отличаются по тепловому эффекту. 

В соответствие с принципом Ле Шателье можно сказать, что:

При повышении температуры химическое равновесие системы смещается в сторону эндотермической реакции, а при понижении температуры – в сторону экзотермического процесса 

Рассмотрим реакции и аналогично заполним таблицы:

H2 (г) + Cl2 (г) ⇄ 2HCl (г)+ Q 

C4H10(г) ⇄ C4H8(г) +H2(г)-Q

Влияние изменения давления на направление смещения химического равновесия. 

Данный фактор оказывает влияние на смещение химического равновесия только в случае, когда в реакции присутствует газообразное вещество.

При увеличении давления химическое равновесие системы смещается в сторону той реакции, при которой объем образующихся газообразных веществ меньше, а при уменьшении давления– в сторону той реакции, при которой объем образующихся газообразных веществ больше.

Рассмотрим примеры: 

CO2(г)+H2(г) ⇄CO(г)+H2O(г)

SO2 (г) + H2O (ж) ⇄ H2SO3 (ж)

C2H6(г)⇄C2H2(г)+ 2H2(г)   

Можно также сказать, что на смещение равновесия влияет изменение объема реакционного сосуда. Это утверждение аналогично справедливо только для газов. Чем меньше давление газа, тем больший объем он занимает и наоборот. Поэтому рассмотрение процесса смещения химического равновесия относительно объёмов можно легко перевести на давление. Эти понятия связаны, так как с увеличением давления происходит уменьшение объёма, а с уменьшением давления – увеличение объема.

Скорости химических реакций ускоряются с помощью катализаторов. Но поскольку катализатор в равной степени ускоряет как прямую, так и обратную реакции, то его наличие не оказывает влияние на состояние химического равновесия!

Состояние химического равновесия – это состояние, при котором имеют место химические реакции и, значит, система имеет определенную динамику. Смещение же химического равновесия всегда приводит к тому, что в ходе него устанавливается новое состояние равновесия, с новыми концентрациями исходных веществ и продуктов реакции.