Хімічна рівновага

Вивчаючи основні закономірності рівноважних процесів, перш за все необхідно розглянути поняття оборотних і необоротних реакцій, оборотність хімічних процесів.

Необоротними хімічними реакціями називаються реакції, які відбуваються тільки в одному напрямку. До таких належать, наприклад, реакції розкладу калій перманґанату під час нагрівання:

2KMnO₄ = K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂

чи взаємодія лужних металів з водою:

2K + 2H₂O = 2KOH + H₂.

Оборотними називаються реакції, які можуть відбуватися в прямому та зворотному напрямках. До таких реакцій належить, наприклд, взаємодія кисню з воднем:

2H₂ + O₂ Û 2H₂O.

За температури 800 – 1500°С кисень із воднем утворюють воду, взаємодіючи дуже бурхливо. При температурі 3000 – 4000°С навпаки, вода розкладається з утворенням Н₂ і О₂. Взаємодія йоду з воднем

H₂ + I₂ Û 2HI

відбувається при температурі 300 – 400°С. За такої ж температури можлива й зворотна реакція розкладу гідроген йодиду.

Більшість хімічних реакцій оборотні. Але для одних за певних умов зворотний напрямок неможливий (взаємодія Н₂ і О₂), а для інших можливі як прямий, так і зворотний (взаємодія Н₂ і I₂). В обох наведених прикладах можна виявити зворотну реакцію і навіть визначити швидкість обох напрямків. Існують умови, за яких одночасно відбуваються пряма і зворотна реакції. Однак відомі процеси, для яких визначити швидкість зворотної реакції неможливо і тому можна тільки говорити про її оборотність. З’ясуємо, якою мірою той чи інший оборотний процес залежить від природи реагуючих речовин і умов, за яких здійснюється.

Розглянемо більш детально оборотні реакції, які одночасно за певних умовах відбуваються у двох напрямках:

aA + bB Û cC + dD.

У перший момент швидкість прямої реакції

визначається початковими концентраціями вихідних речовин. Швидкість зворотної реакції при цьому дорівнює нулю. У міру взаємодії А і В і утворення С і D швидкість прямої реакції зменшується, а зворотної -

зростає. Через певний час швидкості прямої і зворотної реакцій зрівняються (рис. 19). При цьому кількість утворених молекул С і D буде дорівнювати кількості молекул С i D, які прореагували й перетворились на А і B.

Стан реагуючої системи, за якого швидкості прямої та зворотної реакцій однакові, називаєтьсяхімічною рівновагою.У стані хімічної рівноваги кількість і концентрація вихідних речовин, а також продуктів їх реакції не змінюються (рівноважні), тобто хімічна рівновага має динамічний характер.

Момент хімічної рівноваги, коли швидкості прямої і зворотної реакції однакові, можна записати так:

v₁ = v₂, або

,

звідки

За даної температури константи швидкостей k₁ і k₂ є сталими

величинами, тому їх відношення - також стала величина.

Це рівняння є математичним виразом закону діючих мас для стану рівноваги. Константа рівноваги залежить від температури, зміни ентальпії та ентропії, але не залежить від енергії активації, яка впливає лише на час встановлення рівноваги. Тому каталізатор, знижуючи енергію активації й підвищуючи ентропію активації прямої та зворотної реакцій, прискорює встановлення рівноваги, не змінюючи її константу.

Змінюючи умови, можна перевести систему з одного рівноважного стану в інший, що відповідає новим умовам. Рівновага зміщується тому, що зміна умов неоднаково впливає на швидкість прямої та зворотної реакцій. Характер зміщення рівноваги залежно від зовнішніх факторів можна визначити за принципом Ле Шательє(1884): якщо на систему, що перебуває в стані рівноваги, впливати ззовні, то рівновага зміщується в бік тієї реакції, яка послаблює цей вплив.