Константа хімічної рівноваги

Рівновага при хімічних реакціях

Розглянемо окремий випадок термодинамічної рівноваги – хімічну рівновагу. Як відомо, багато хімічних реакцій є оборотними, тобто можуть одночасно протікати в обох напрямках - прямому й зворотному. Якщо проводити оборотну реакцію в закритій системі, то через якийсь час система прийде в стан хімічної рівноваги. При цьому концентрації всіх реагуючих речовин перестануть змінюватися в часі.

Необхідно відзначити, що досягнення системою стану рівноваги не означає припинення процесу; хімічна рівновага є динамічною, тобто відповідає одночасному протіканню процесу в протилежних напрямках з однаковою швидкістю.

Хімічна рівновага є рухливою – усякий нескінченно малий зовнішній вплив на рівноважну систему викликає нескінченно малу зміну стану системи; по припиненні зовнішнього впливу система вертається у вихідний стан. Ще однією важливою властивістю хімічної рівноваги є те, що система може самовільно прийти в стан рівноваги із двох протилежних боків. Інакше кажучи, будь-який стан, суміжний з рівноважним, є менш стійким, і перехід у нього зі стану рівноваги завжди пов'язаний з необхідністю витрати роботи зовні.

Константа хімічної рівноваги

Кількісною характеристикою хімічної рівноваги є константа рівноваги, що може бути виражена через рівноважні концентрації с_i, парціальні тиски р_i або мольні частки х_i реагуючих речовин. Для довільної реакції

(3.1)

відповідні константи рівноваги виражають наступним чином:

(3.2)

(3.3)

(3.4)

де р₁ і р₂… - парціальні тиски вихідних речовин, , ... - парціальні тиски кінцевих речовин; с₁, с₂ - концентрації вихідних речовин; , - концентрації кінцевих речовин; , , n₁, n₂ - стехіометричні коефіцієнти вихідних речовин, - стехіометричні коефіцієнти кінцевих речовин.

Константа рівноваги К_р відноситься до реакцій, які відбуваються при постійному тиску. Вона залежить тільки від температури і зв’язує парціальні тиски всіх речовин, які беруть участь у реакції. Не можна змінити парціальний тиск жодної з них, щоб це не викликало відповідну зміну парціальних тисків всіх учасників реакції і не призвело би до попереднього чисельного значення константи рівноваги при даних умовах. Такий зміст закону діючих мас.

У тих випадках, коли реакція йде при постійному об’ємі, склад реакційної суміші у стані рівноваги зручно виражати через концентрації або мольні частки. Відповідні константи рівноваги К_с та К_х. Константа рівноваги К_с, так само, як і К_р, залежить тільки від температури. Величина константи K_x, на відміну від K_c і K_p, залежить від загального тиску р.

Знаючи константу рівноваги і склад вихідної системи можна розрахувати склад системи після досягнення рівноваги. Константа рівноваги є характерна величина для кожної оборотної хімічної реакції; величина її залежить тільки від природи реагуючих речовин і температури.

Зв’язок між константами рівноваги К_р, К_с, К_х

На підставі рівняння стану ідеального газу, записаного у вигляді співвідношення р_i = с_iRT, де с_i = n_i/υ, і закону Дальтона для ідеальної газової суміші, вираженого рівнянням р = Σр_i, можна вивести співвідношення між парціальним тиском р_i, молярною концентрацією с_i і мольною часткою х_i i-го компонента:

(3.5)

Звідси отримуємо співвідношення між K_c, K_p і K_x:

(3.6)

Δν – зміна кількості молей газоподібних речовин при реакції:

Δν = – ν₁ – ν₂ – ... + ν'₁ + ν'₂ + ...

Вираз для константи рівноваги зворотної реакції може бути отриманий і з кінетичних уявлень. Ми цього робити не будемо, але знатимемо, що константа рівноваги є відношення констант швидкості прямої і зворотної реакції.