Хімічна рівновага

В основному хімічні реакції є оборотними, тобто можуть одночасно проходити в двох взаємно протилежних напрямках. Якщо швидкості прямої і зворотної реакції рівні, в системі встановлюється хімічна рівновага, яка при даній температурі характеризується константою рівноваги. Так, для реакції

аА + вВ « сС + dD

константа рівноваги виражається рівнянням:

Відповідно до закону діючих мас (ЗДМ) константа рівноваги будь-якої (простої чи складної) оборотної реакції – величина стала при сталій температурі. Вона може бути розрахована, якщо відомі вихідні концентрації речовин і рівноважна концентрація одного з реагентів.

Приклад 4. Для реакції A + 2B « L + 3M вихідні концентрації становлять: [A] = 2 моль/л; [B] = 3 моль/л, а рівноважна концентрація [L] = 0,5 моль/л. Визначити К_с (загальний об’єм залишається постійним).

Розв’язок:

З рівняння реакції видно, що 0,5 моля L отримується із 0,5 моля A і 1 моля B; при цьому утворюються 1,5 моля M. Тоді при рівновазі [A] = 2 – 0,5= 1,5 моль/л; [B] = 3 – 1 = 2 моль/л; [L] = 0,5 моль/л; [M] = 1,5 моль/л.

Константу рівноваги можна виразити і через парціальний тиск. Так, для реакції N₂(г.) +3H₂(г.) « 2NH₃ (г.)

При цьому К_P = K_C(RT)^Dn, де Δn - зміна числа газоподібних молекул у реакції.

Константа рівноваги пов’язана зі стандартною енергією Гіббса реакції

DG° = – RT^. ln K_Р.

Це співвідношення дозволяє, якщо є енергія Гіббса реакції, розрахувати константу рівноваги і навпаки.

Принцип ле Шательє. Якщо на систему, яка знаходиться в рівновазі, подіяти зовнішнім фактором, то в ній виникають процеси, що зменшують цей вплив. Так, зміна температури змінює K: підвищення її зміщує рівновагу у бік ендотермічної реакції, зниження – у бік екзотермічної. Зміна тиску зміщує рівновагу газових реакцій при Δn ? 0: підвищення – в напрямку процесу, який супроводжується зменшенням числа молекул газів (об’єму), зниження – у бік збільшення числа молекул газів (об’єму).

Введення каталізаторів у рівноважну систему не може викликати зміщення рівноваги, тому що каталізатор прискорює і пряму, і зворотну реакції, прискорюючи процес досягнення рівноваги.

Питання і задачі

1. Що називається швидкістю хімічної реакції?

2. Як описується залежність швидкості реакції від концентрації реагуючих речовин для простих і складних реакцій?

3. Що таке порядок і молекулярність реакції? Коли вони тотожні?

4. Константа швидкості хімічної реакції.

5. Правило Вант-Гоффа. Рівняння Арреніуса. Чому швидкість реакції збільшується з підвищенням температури?

6. Що таке каталіз? Яка його суть?

7. Що таке хімічна рівновага? Константа рівноваги, її зв’язок з енергією Гіббса.

8. Написати закон діючих мас для реакцій:

2NO + O₂ « 2NO₂; N₂ + 3H₂ « 2NH₃; H₂CO₃ « H₂O + CO_2.

9. Сформулювати принцип ле Шательє. Як збільшити вихід SO₃ в реакції SO₂ + O₂ «2SO₃; ΔH°реак = -179 κДж.

10. Визначити температурний коефіцієнт швидкості реакції розкладу мурашиної кислоти на СO₂ і H₂ в присутності золотого каталізатора, якщо константа швидкості при 413 K дорівнює 5,5^.10^-4 c^-1, а при 458 K дорівнює 9,2^.10^-3 c^-1.

11. Енергія активації реакції N₂O₅ ®N₂O₄ + 0,5O₂ дорівнює 103,5 кДж/моль. Константа швидкості цієї реакції при 298 K дорівнює 2,0310^-3 c^-1 Вирахувати константу швидкості цієї реакції при 288 K.

12. Об’ємний склад реакційної суміші в момент рівноваги для реакції

2СО₂(г.) « 2СО(г.) + О₂(г.) був такий: 88,72 % CO₂; 7,52 % CO; 3,76 % O₂. Знайти K_P і K_C для цієї реакції, якщо загальний тиск у системі при температурі 273 К дорівнює 1,01133 ^.10⁵ Па.

Лабораторна робота № 6