Химическое равновесие. Принцип Ле-Шателье

Все реакции делятся на практически необратимые (протекающие в одном направлении) и обратимые (протекающие как в прямом, так и в обратном направлении). Обратимые реакции не идут до конца, в реакционной смеси присутствуют как исходные вещества, так и продукты реакции.

Пределом протекания обратимых реакций при заданных условиях является достижение состояния химического равновесия.

Химическое равновесие – состояние системы реагирующих веществ, при котором скорость прямой и обратной реакций равны. Химическое равновесие является динамическим. Это значит, что в системе идут и прямая, и обратная реакции, но, так как их скорости равны, концентрации исходных веществ и продуктов остаются неизменными. Эти концентрации называются равновесными.

В состоянии равновесия концентрации веществ постоянны при постоянных внешних условиях. Если же внешние условия изменить, то происходит смещение равновесия в сторону прямой или обратной реакции, после чего устанавливается новое равновесие, но уже с другими равновесными концентрациями.

Любое равновесие характеризуется с помощью константы равновесия.

Константа равновесия – отношение произведения концентраций продуктов реакции к произведению концентраций реагирующих веществ в степенях их стехиометрических коэффициентов.

Для реакции

aA + bB «cC +dD

выражение для константы равновесия будет иметь вид:

где [A], [B], [C], [D] – равновесные концентрации веществ, участвующих в реакции.

Константа равновесия – мера глубины протекания процесса, показывает степень превращения исходных веществ в продукты. Если в состоянии равновесия преобладают продукты (С и D), константа равновесия больше 1. Если же в системе преобладают исходные вещества, то значение константы меньше 1.

Оценить направление смещения равновесия при изменении внешних условий можно с помощью принципа Ле‑Шателье.

При изменении внешних условий (температура, концентрация веществ, давление) равновесие смещается в сторону той реакции (прямой или обратной), которая уменьшает это внешнее воздействие.

Изменение концентрации веществ, участвующих в реакции, влияет на состояние равновесия следующим образом. Если к равновесной системе добавить один из ее компонентов (т.е. увеличить его концентрацию), то по принципу Ле-Шателье равновесие сдвинется в сторону уменьшения количества этого компонента. Если уменьшить количества какого-либо участника реакции, то произойдет смещение равновесия в сторону образования этого вещества.

Например,

если в реакции aA + bB «cC + dD

увеличить концентрацию вещества А, то равновесие сместится в сторону реакции, уменьшающей концентрацию вещества А, т.е. в сторону прямой реакции, вправо. Если увеличить концентрацию продукта реакции (например, вещества D), равновесия сместится в сторону расходования вещества D, т.е. влево, в сторону обратной реакции.

Таким образом, увеличение концентрации исходных веществ и уменьшение концентраций продуктов смещает равновесие вправо, а уменьшение концентраций исходных веществ и увеличение концентраций продуктов – влево.

Для определения смещения равновесия под влиянием температуры, необходимо знать тепловой эффект реакции. Если реакция экзотермическая

aA + bB«cC + dD + Q (∆H < 0),

то увеличение температуры сместит равновесие в сторону обратной эндотермической реакции. Уменьшение температуры приведет к смещению равновесия вправо.

Таким образом, если прямая реакция является экзотермической, то при повышении температуры равновесие смещается влево, при понижении – вправо. Если реакция эндотермическая, то смещению вправо способствует повышение температуры, а смещению влево – ее понижение.

Давление влияет на состояние равновесия только в том случае, если в реакции участвуют газообразные вещества и их количество в ходе реакции изменяется. Изменение давления определяют по количеству молей газообразных веществ в левой и правой частях уравнения. Если число молей газообразных веществ больше впродуктах, чем в реагентах, то давление в системе растет, если меньше – уменьшается. В случае постоянства числа молей газов в реакционной системе изменение давления не скажется на смещении химического равновесия.

Увеличение давления смещает равновесие в направлении уменьшения общего количества молей газообразных веществ, т.е. в направлении понижения давления. Понижение давления смещает равновесие в сторону увеличения количества газообразных веществ.

Например, реакция:

2NO(г) + O₂(г) ↔ 2NO₂(г),

в которой из 3 молей газов образуется 2 моля, идет с уменьшением давления в прямом направлении (прямая реакция) и с повышением давления в обратном направлении (обратная реакция). Изменение давления в реакционной системе в сторону его повышения сместит равновесие вправо. Если же давление в системе понизить, то равновесие рассматриваемой реакции сместится влево.

Для реакции:

С(тв.) + О₂ ® CO₂(г)

изменение давления не приводит к смещению химического равновесия (число молей газов в правой и левой части уравнения одинаковы).