Суть хімічної рівноваги
Рівновага - це динамічний стан, що означає, що речі завжди рухаються. Продукти розкладаються на реактиви, а реактиви об'єднуються в продукти. Речі рухаються, але концентрації залишаються незмінними. Реакція записується з подвійною стрілкою замість знака рівності, щоб показати, що вона оборотна.
Класичні закономірності
Ще в минулому столітті хіміками були відкриті певні закономірності, які передбачають ймовірність зміни напрями реакції в одній і тій же ємності. Знання про те, як протікають хімічні реакції, неймовірно важливі, як для лабораторних досліджень, так і промислового виробництва. При цьому велике значення має можливість контролювати всі ці явища. Людині властиво втручатися у багато природні процеси, особливо це стосується оборотних, щоб потім використовувати їх собі на благо. Від знань про хімічних реакціях буде більше користі, якщо досконало володіти важелями управління ними. Закон діючих мас в хімії використовую хіміки, щоб правильно розраховувати швидкості протікання реакцій. Він дає чітке уявлення про те, що жоден хімічний процес не буде доведений до кінця у випадку, якщо він буде проходити в системі закритого типу. Молекули утворюються речовин знаходяться в постійному і безладному русі, і може незабаром виникнути зворотна реакція, при якій будуть відновлюватися молекули вихідного матеріалу.У промисловості найчастіше використовують відкриті системи. Посудини, апарати та інші ємності, де проходять хімічні реакції, залишаються відімкненими. Це необхідно для того, щоб під час цих процесів можна було витягти потрібний продукт і позбутися від непотрібних продуктів реакції. Наприклад, вугілля спалюється у відкритих казанах, цемент проводиться в печах відкритого типу, домни функціонують при постійній подачі повітря, а аміак синтезується при безперервному видалення самого аміаку.
Зворотні і незворотні хімічні реакції
Виходячи з назви, можна дати відповідні визначення: незворотними вважаються реакції, доводимие до кінця, не змінюють свого напрямку і протікають по заданій траєкторії незалежно від перепадів тиску і температурних коливань. Їх відмітною особливістю є те, що деякі продукти можуть залишати сферу реакції. Таким чином, наприклад, можна отримати газ (CaCO 3 = CaO + CO 2), осад (Cu(NO 3 ) 2 + H 2 S = CuS + 2HNO 3 ) або інші з'єднання. Реакція також буде вважатися незворотною, якщо під час процесу виділяється велика кількість теплової енергії, наприклад: 4P + 5O 2 = 2P 2 O 5 + Q. Практично всі реакції, які відбуваються в природі, є оборотними. Незалежно від таких зовнішніх умов, як тиск і температура, практично всі процеси можуть протікати одночасно в різних напрямках. Як свідчить закон діючих мас в хімії, кількість поглинутої теплоти буде дорівнює кількості виділеної, це означає, що якщо одна реакція була екзотермічної, то друга (зворотна) буде ендотермічної.Хімічна рівновага: константа хімічної рівноваги
Реакції - це «дієслова» хімії - діяльність, яку вивчають хіміки. Багато реакції переходять до їх завершення, а потім зупиняються, а це означає, що реагенти повністю перетворюються на продукти, не маючи можливості повернутися в початковий стан. В деяких випадках реакція дійсно незворотна, наприклад, коли спалювання змінює як фізичні, так і хімічні властивості речовини. Однак існує безліч інших обставин, в яких зворотна реакція є не тільки можливою, але і безперервної, так як продукти першої реакції стають реагентами у другій. Динамічний стан, в якому концентрації реагентів і продуктів залишаються постійними, називається рівновагою. Можна передбачити поведінку речовин за допомогою певних законів, які застосовуються в галузях, прагнуть знизити витрати виробництва конкретних хімічних речовин. Для розуміння процесів, які зберігають або потенційно загрожують здоров'ю людей, також корисним є поняття хімічної рівноваги. Константа хімічної рівноваги являє собою значення фактора реакції, яка залежить від іонної сили і температури, і не залежить від концентрацій реагентів і продуктів у розчині.
Обчислення константи рівноваги
Ця величина є безрозмірною, тобто не має певної кількості одиниць. Хоча розрахунок зазвичай записується для двох реагентів і продуктів, він працює для будь-якої кількості учасників реакції. Розрахунок та інтерпретація константи рівноваги залежать від того, чи пов'язана хімічна реакція з однорідним або гетерогенним рівновагою. Це означає, що всі вступають в реакцію компоненти можуть бути чистими рідинами або газами. Для реакцій, які досягають гетерогенного рівноваги, є, як правило, не одна фаза, а як мінімум дві. Наприклад, рідини і гази або тверді речовини і рідини.
Значення константи рівноваги
Для будь-якої заданої температури для константи рівноваги існує лише одне значення, яке змінюється тільки в тому випадку, якщо температура, при якій відбувається реакція, змінюється в ту або іншу сторону. Можна зробити деякі прогнози щодо хімічної реакції, виходячи з того, є чи постійна рівноваги великою або малою. Якщо значення не дуже велике, то рівновага сприяє реакції вправо і виходить більше продуктів, ніж було реагентів. Реакцію в цьому випадку можна назвати «повної» або «кількісної». Якщо значення константи рівноваги невелика, то воно сприяє реакції вліво, де кількість реагентів було більше, ніж продуктів, що утворилися. Якщо це значення прагне до нуля, можна вважати, що реакція не виникає. Якщо ж значення константи рівноваги для прямої і зворотної реакції майже однакові, то кількість реагентів та продуктів буде теж майже однаковим. Цей тип реакції вважається оборотним.
Розглянемо конкретну оборотну реакцію
Візьмемо такі два хімічні елементи, як йод і водень, які при змішуванні дають нове речовина - иодоводород. H 2 +I 2 =2HI За v 1 приймемо швидкість прямої реакції, за v 2 - швидкість зворотної реакції, k - константа рівноваги. Використовуючи закон дії мас, отримуємо такий вираз: v 1 = k 1 * c(H 2 ) * c(I 2 ), v 2 = k 2 * c 2 (HI). При змішуванні молекул йоду (I 2 ) і водню (H 2 ) починається їх взаємодія. На початковому етапі концентрація цих елементів максимальна, а от до кінця реакції максимальної буде концентрація нового з'єднання - иодоводорода (HI). Відповідно, різними будуть і швидкості реакцій. На самому початку вони будуть максимальними. З часом настає момент, коли ці значення будуть рівними, він і є станом, який називається хімічною рівновагою. Вираз константи хімічної рівноваги, як правило, позначають з використанням квадратних дужок:[H2],[I2],[HI]. Так як при стані рівноваги швидкості дорівнюють: k 1 [H2] [I2]= k 2 [HI] 2 , так отримуємо рівняння константи хімічної рівноваги: k 1 /k 2 =[HI] 2 /[H2] [I2]= K.
Принцип Ле Шательє-Брауна
Існує наступна закономірність: якщо на систему, яка знаходиться в рівновазі, виконати певну дію (змінити умови хімічної рівноваги шляхом зміни температури або тиску, наприклад), то баланс буде зміщуватися, щоб частково протидіяти ефекту зміни. На додаток до хімії цей принцип також застосовується в кілька різних формах до областях фармакології та економіки.
Константа хімічної рівноваги і способи її вираження
Рівноважний вираз може бути виражена в термінах концентрації продуктів і реагентів. Тільки хімічні речовини у водній і газоподібній фазах включені в рівноважну формулу, оскільки концентрації рідин і твердих речовин не змінюються. Які фактори впливають на хімічну рівновагу? Якщо в ньому бере участь чиста рідина або тверда речовина, вважається, що воно має До= 1 і відповідно перестає братися в розрахунок, за винятком висококонцентрованих розчинів. Наприклад, чиста вода має активність 1. Іншим прикладом є твердий вуглець, який може утворюватися реакцією двох молекул монооксиду карбону з утворенням вуглекислого газу і вуглецю. Фактори, які можуть вплинути на рівновагу, включають в себе додавання реагенту або продукту (зміна концентрації впливає на баланс). Додавання реагенту може привести до рівноваги праворуч у хімічному рівнянні, де з'являється більше форм продукту. Додавання продукту може привести до рівноваги зліва, так як більше стає форм реагентів.
