Влияние давления на равновесие

Давление в замкнутой реакционной системе обусловлено наличием в ней газообразных веществ: чем их больше, тем больше давление. Поэтому изменение внешнего давления повлияет на равновесие только в тех случаях, когда в нем участвуют газообразные вещества, причем количество их в прямой и обратной реакциях разное.

Если в системе, находящейся в состоянии химического равновесия, увеличить давление, то преимущественно будет протекать реакция, в результате которой уменьшается количество газообразных веществ; при уменьшении давления преимущественно протекает реакция, в результате которой увеличивается количество газообразных продуктов.

Пример 1. Можно ли изменением давления увеличить выход продуктов в реакции CO_2(г) + H_2(г) « CO_(г) + H₂O_(г)?

Решение: реакционная смесь включает газообразные реагенты, но количество их в реакции не меняется: из одного моля CO_2(г) и одного моля H_2(г) получаются по одному молю CO_(г) и H₂O_(г). По этой причине изменение давления на состояние равновесия не влияет.

Пример 2. Как изменятся равновесные концентрации реагентов при увеличении давления в системе 2SO_2(г) + O_2(г) « 2SO_3(г)?

Решение: реакционная смесь включает газообразные вещества, и количество их в реакции меняется: из трех моль исходных (двух моль SO_2(г) и одного моля O_2(г)) образуются два моля SO_3(г).

При увеличении давления должна преимущественно протекать реакция, в результате которой давление уменьшится, т.е. уменьшится количество газообразных веществ, а это происходит в прямой реакции. Следовательно, концентрации исходных веществ уменьшатся, а продукта – увеличатся.

К аналогичному выводу можно прийти, анализируя закон действующих масс (з.д.м.) для этого равновесия:

При увеличении давления, например, в два раза, числитель дроби увеличится в четыре раза (2²), а знаменатель дроби увеличится в восемь раз (2²∙2). Равновесие нарушится, и для того, чтобы соотношение реагентов соответствовало з.д.м. (т.е. константа осталась прежней), концентрации SO₂ и O₂ должны уменьшаться, а концентрация SO₃ – увеличиваться, а для этого должна преимущественно протекать прямая реакция.

Пример 3. Как изменится состояние равновесия в системе

2SO_2(г) + O_2(г) « 2SO_3(г), если в нее добавить инертный газ?

Решение: влияние инертного газа на равновесия с участием газообразных веществ следует рассматривать в двух вариантах.

1) Если при добавлении инертного газа объем системы не изменился, и поэтому давление увеличилось.

Поскольку объем не изменился, то не изменились и концентрации реагентов, следовательно, равновесие не нарушится.

2) Если при добавлении газа давление в системе не изменилось, т.к. увеличился объем смеси.

В этом случае добавка газа повлияет на равновесие как эффект уменьшения в равное число раз концентраций (и парциальных давлений) всех реагентов, поэтому равновесие может нарушиться, если до реакции и после количество газов разное (как в нашем случае). Например, при увеличении объема вдвое концентрации (и парциальные давления) всех реагентов уменьшатся в два раза. Для того чтобы соотношение реагентов соответствовало з.д.м., преимущественно должна протекать обратная реакция, и равновесие сместится влево.

Влияние изменения температуры на химическое равновесие

Большинство химических реакций протекают с выделением или поглощением тепла. В первом случае температура смеси увеличивается, во втором – уменьшается.

Если реакционную смесь, находящуюся в состоянии химического равновесия, нагреть, то в соответствии с принципом Ле Шателье должна протекать преимущественно реакция, в результате которой тепло будет поглощаться, т.е. эндотермическая реакция; при охлаждении смеси должна протекать преимущественно реакция, в результате которой тепло будет выделяться, т.е. эндотермическая реакция.

Если в системе, находящейся в состоянии химического равновесия, увеличить температуру, то равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, а при понижении температуры – в сторону экзотермической реакции.

Пример: 2N₂ + 3H₂ « 2NH₃, H⁰ = – 92 кДж

Реакция экзотермическая, поэтому при увеличении температуры равновесие сдвигается влево, а при понижении температуры – вправо.

Из этого следует, что для увеличения выхода аммиака температуру необходимо понижать. (Почему же тогда синтез аммиака ведут при температуре 500⁰С? – см. раздел «Химическая кинетика»).