Учебник для 11 класса

ХИМИЯ

§ 14.1. Химическое равновесие

Состояние равновесия сохраняется сколь угодно долго при неизменных внешних условиях: температуре, концентрации исходных веществ, давлении (если в реакции участвуют или образуются газы).

Изменяя эти условия, можно перевести систему из одного равновесного состояния в другое, отвечающее новым условиям. Такой переход называют смещением или сдвигом равновесия.

Рассмотрим разные способы смещения равновесия на примере реакции азота и водорода с образованием аммиака, уравнение которой

N₂ + ЗН₂ 2NH₃ + Q.

Влияние изменения концентрации веществ. При добавлении в реакционную смесь азота N₂ и водорода Н₂ увеличивается концентрация этих газов, а значит, увеличивается скорость прямой реакции. Равновесие смещается вправо, в сторону продукта реакции, т. е. в сторону аммиака NH₃.

Увеличение же концентрации продукта реакции аммиака NH₃ приведет к смещению равновесия влево, в сторону образования исходных веществ. Этот вывод можно сделать на основании аналогичных рассуждений.

Влияние изменения давления. Изменение давления оказывает влияние только на те системы, где хотя бы одно из веществ находится в газообразном состоянии. При увеличении давления уменьшается объем газов, а значит, увеличивается их концентрация.

Предположим, что давление в замкнутой системе повысили, например, в 2 раза. Это значит, что концентрации всех газообразных веществ (азота N₂, водорода Н₂, аммиака NH₃) в рассматриваемом нами процессе возрастут в 2 раза. Увеличатся скорости как прямой, так и обратной реакций. Однако скорость прямой реакции увеличится в 16 раз, а обратной — только в 4 раза. Химическое равновесие сместится вправо, в сторону той реакции, при которой образуется меньший объем газообразных веществ.

Изменение давления практически не сказывается на объеме жидких и твердых веществ, т. е. не изменяет их концентрацию. Следовательно, состояние химического равновесия реакций, в которых не участвуют газы, не зависит от давления.

Влияние изменения температуры. При повышении температуры, как вы знаете, скорости всех реакций (экзо- и эндотермических) увеличиваются. Причем повышение температуры больше сказывается на скорости тех реакций, которые имеют большую энергию активации, а значит, эндотермических.

Таким образом, скорость обратной реакции (в нашем примере эндотермической) увеличится сильнее, чем скорость прямой. Химическое равновесие смещается в сторону того процесса, который сопровождается поглощением энергии.

Направление смещения химического равновесия можно предсказать, пользуясь принципом Лe Шателье (1884):

Сделаем выводы:

• при увеличении концентрации реагирующих веществ химическое равновесие в системе смещается в сторону образования продуктов реакции;
• при увеличении концентрации продуктов реакции химическое равновесие в системе смещается в сторону образования исходных веществ;
• при увеличении давления химическое равновесие в системе смещается в сторону той химической реакции, при которой объем образующихся газообразных веществ меньше;
• при повышении температуры химическое равновесие в системе смещается в сторону эндотермической реакции;
• при понижении температуры — в сторону экзотермического процесса.

Принцип Лe Шателье применим не только к химическим реакциям, но и ко многим другим процессам: к испарению, конденсации, плавлению, кристаллизации и др.

При производстве важнейших химических продуктов принцип Ле Шателье и расчеты, вытекающие из закона действующих масс, дают возможность находить такие условия для проведения химического процесса, которые обеспечивают максимальный выход желаемого вещества.

Вопросы и задания к § 14

1. В каком направлении сместится химическое равновесие в следующих системах: а) при понижении температуры; б) при повышении давления?

   

2. Как повлияет повышение давления на химическое равновесие в следующих системах?

   

3. Как надо изменить концентрации веществ, давление и температуру гомогенной системы

   

   чтобы сместить равновесие в сторону разложения РСl₅?

4. Выберите уравнения обратимых реакций, в которых изменение давления не вызовет нарушения химического равновесия:

   

5. Химическое равновесие в системе Н₂ + I₂ 2HI установилось при следующих концентрациях:

   [Н₂] = 0,025 моль/л,
   [I₂] = 0,005 моль/л,
   [HI] = 0,09 моль/л.

   Определите исходные концентрации иода и водорода.

   Ответ: 0,07 моль/л Н₂; 0,05 моль/л I₂.

6. При некоторой температуре равновесие в системе

   2NO₂ 2NO + O₂

   установилось при следующих концентрациях:

   [NO₂] = 0,006 моль/л, [NO] = 0,024 моль/л, [O₂] = 0,012 моль/л.

   Найдите исходную концентрацию NO₂ и константу равновесия.

   Ответ: 0,03 моль/л NO₂; 0,192.

7. В какую сторону сместится химическое равновесие системы

   АВ А + В,

   если повысить температуру на 30 °С? Температурные коэффициенты прямой и обратной реакций соответственно равны 2 и 3.

8. В каком направлении сместится химическое равновесие системы

   2СО + 2Н₂ СН₄ + СO₂,

   если концентрации всех веществ уменьшить в 2 раза?