Тема 2.5. Хімічна рівновага

План

1. Поняття про ланцюгові реакції.
2. Стан хімічної рівноваги.*

3. Зміщення хімічної рівноваги. Принцип Ле Шательє.**

1. Досі ми з вами розглядали хімічні реакції, що відбуваються порівняно просто. У таких реакціях кожний елементарний акт взаємодії – кожне зіткнення між активними молекулами реагуючих речовин – відбувається незалежно від результатів попередніх елементарних актів. Утворення макроскопічних кількостей продукту реакції є тут результатом великої кількості таких актів, що не залежать один від одного.

Проте існує велика група реакцій, що відбуваються складніше. У цих реакціях можливість перебігу кожного елементарного акту спряжена з успішним проходженням попереднього акту і, в свою чергу, зумовлює можливість наступного. Тут утворення макроскопічних кількостей продуктів реакції є результатом ланцюга елементарних актів взаємодії. Такі реакції називаються ланцюговими.

Ланцюгові реакції відбуваються за участю активних центрів – атомів, йонів або радикалів, що мають неспарені електрони і виявляють внаслідок цього дуже високу активність. Роль активних центрів можуть відігравати, наприклад, атоми і групи атомів.

При актах взаємодії активних центрів з молекулами вихідних речовин утворюються молекули продукту реакції, а також нові активні частинки – нові активні центри, здатні до акту взаємодії.

Прости прикладом ланцюгової реакції може бути реакція синтезу хлороводню: H₂ + Cl₂ → 2HCl

Ця реакція спричинюється дією світла. Поглинання кванта променистої енергії молекулою хлору спричинює її збудження – появу в ній енергетичних коливань атомів. Якщо енергія коливань перевищує енергію зв’язків між атомами, то молекула розпадається. Це можна виразити рівнянням:

Cl₂ + hν → 2Cl∙

Cl∙ + H₂ → HCl + H∙

H∙ + Cl₂ → HCl + Cl∙

В розглянутому випадку число ланок може досягати 100000. Закінчується ланцюг при зіткненні вільного атома з стінкою посудини, у якій відбувається реакція. Ланцюг може закінчитися також при такому зіткненні двох активних частинок і однієї неактивної, в результаті якого активні частинки сполучаються в молекулу, а енергія, що виділяється, виноситься неактивною частинкою.

2. Коли швидкості прямої і зворотної реакцій стають однаковими, настає хімічна рівновага. Хімічну рівновагу називають динамічною. Цим підкреслюється, що при рівновазі відбуваються пряма і зворотна реакції, але їхні швидкості однакові, внаслідок чого змін у системі не помітно.

Кількісною характеристикою хімічної рівноваги є величина, що називається константою хімічної рівноваги. Константа хімічної рівноваги – відношення констант швидкості прямої і зворотної реакцій.

Нехай в системі протікає обернена хімічна реакція між газоподібними речовинами N і M і утворюються газоподібні речовини D і G.

n N + m M ↔ d D + g G .

Константа хімічної рівноваги в цьому випадку може бути знайдена як:

К_Р = .

При сталій температурі К оборотної реакції є сталою величиною, що показує те співвідношення між концентраціями продуктів реакції і вихідних речовин, яке установлюється при рівновазі.

Величина константи рівноваги залежить від природи реагуючих речовин і температури.

2.3. Досягнувши стану хімічної рівноваги, система буде знаходитися в ньому до тих пір, доки не будуть змінені зовнішні умови. Це приведе до зміни параметрів системи, тобто до зсуву хімічної рівноваги в бік однієї з реакцій. Для якісного визначення напрямку зміщення рівноваги в хімічній реакції служить принцип Ле Шательє:

Якщо на систему, що знаходиться в рівновазі, подіяти ззовні, тобто змінити умови, при яких система знаходилась в рівновазі, то в системі з більшою швидкістю почнуть протікати процеси, що зменшують зовнішній вплив.

На стан хімічної рівноваги найбільше впливають концентрація, тиск і температура.

1) Збільшення концентрації вихідних речовин N і M приводить до збільшення швидкості прямої реакції. Збільшення концентрації продуктів зміщує рівновагу в бік протікання оборотної реакції.

2) тиск (для газів)

N₂ + 3 H₂ ↔ 2 NH₃ .

В результаті протікання прямої реакції число молекул газів зменшився з 4 моль до 2 моль.

При підвищенні загального тиску рівновага зміщується в бік реакції, яка приводить до зменшення числа молекул газоподібних речовин, а при зменшенні тиску – в бік реакції, в якій збільшується число молекул газів.

3) температура

При підвищенні температури рівновага завжди зміщується в бік ендотермічної реакції. а при зниженні – в бік екзотермічної реакції.

Контрольні запитання:

1. Коли настає стан хімічної рівноваги?
2. Сформулюйте принцип Ле Шательє.
3. Вкажіть фактори, які впливають на зміщення хімічної рівноваги.
4. Як зміниться стан рівноваги в наведених реакціях при підвищенні тиску:

а) H_2(г) + Cl_2(г) ↔ 2HCl_(г)

б) PCl_3(г) + Cl_2(г) ↔ PCl_5(г)

в) 2CO_(г) + O_2(г) ↔ 2CO_2(г)

1. Як зміниться стан рівноваги в наведених реакціях при збільшенні температури:

а) 2SO_2(г) + O_2(г) ↔ 2SO_3(г); ∆H<0

б) N_2(г) + O_2(г) ↔ 2NO_(г); ∆H>0

в) CO_2(г) + C ↔ 2CO _(г); ∆H>0

Література:

1. Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. – Л.: Химия, 1979. – Гл. VІ, §§ 62-64, с. 181-190.
2. Хомченко Г.П. Химия. – М.: Высшая школа, 1981. – Ч. І, Гл. 4, §§ 33-35, с. 44-45.