Учебник для 11 класса

ХИМИЯ

       

§ 14. Обратимость химических реакций

Теперь вы уже знаете, что реакция может идти при благоприятном соотношении энергетического и энтропийного факторов. Но если эти факторы «уравновешивают» друг друга, состояние системы не меняется. В таких случаях говорят, что система находится в равновесии.

Химические реакции, протекающие в одном направлении, называют необратимыми (рис. 34).

Большинство химических процессов являются обратимыми. Это значит, что при одних и тех же условиях протекают и прямая, и обратная реакции (особенно если речь идет о замкнутых системах). Например:

а) реакция, уравнение которой

в открытой системе необратима;

б) эта же реакция, уравнение которой

в замкнутой системе обратима.

Рассмотрим более подробно процессы, протекающие при обратимых реакциях, например для условной реакции,

На основании закона действующих масс скорость прямой реакции

Так как со временем концентрации веществ А и В уменьшаются, то и скорость прямой реакции тоже уменьшается.

Появление продуктов реакции означает возможность обратной реакции, причем со временем концентрации веществ С и D увеличиваются, а значит, увеличивается и скорость обратной реакции

Рано или поздно будет достигнуто состояние, при котором скорости прямой и обратной реакций станут равными.

Состояние системы, при котором скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции называют химическим равновесием.

При этом концентрации реагирующих веществ и продуктов реакции остаются без изменения. Их называют равновесными концентрациями. На макроуровне кажется, что в целом ничего не изменяется. Но на самом же деле и прямой, и обратный процессы продолжают идти, но с равной скоростью. Поэтому такое равновесие в системе называют подвижным или динамическим.

Разницу в изменении концентраций веществ и скорости реакции в случае необратимой и обратимой реакций вы можете увидеть на рисунке 35.

Рис. 35.
Изменение концентраций веществ и скоростей необратимой (а) и обратимой (б) реакций

Обозначим равновесные концентрации веществ [А], [В], [С], [D]. Тогда, так как скорости прямой и обратной реакций равны,

где α, β, γ, δ — показатели степеней, равные коэффициентам в обратимой реакции, К — константа химического равновесия.

Полученное выражение количественно описывает состояние равновесия и представляет собой математическое выражение закона действующих масс для равновесных систем.

При неизменной температуре константа равновесия — величина постоянная для данной обратимой реакции. Она показывает соотношение между концентрациями продуктов реакции (числитель) и исходных веществ (знаменатель), которое устанавливается при химическом равновесии.

Константы равновесия рассчитывают из опытных данных, определяя равновесные концентрации исходных веществ и продуктов реакции при определенной температуре.

Значение константы равновесия характеризует выход продуктов реакции. Если получают К 1, это означает, что при равновесии [С]γ • [D]δ >> [А]α • [В]β, т. е. концентрации продуктов реакции преобладают над концентрациями исходных веществ, а выход продуктов реакции большой.

При К << 1 соответственно выход продуктов реакции мал. Например, для реакции гидролиза этилового эфира уксусной кислоты

константа равновесия

при 20 °С имеет значение 0,28 (т. е. меньше 1). Это означает, что значительная часть эфира не гидролизовалась.

В случае гетерогенных реакций в выражение константы равновесия входят концентрации только тех веществ, которые находятся в газовой или жидкой фазе. Например, для реакции

СO2 + С 2СО

константа равновесия выражается так:

Значение константы равновесия зависит:

  • от природы реагирующих веществ;
  • от температуры.

От присутствия катализатора она не зависит, поскольку он, как вы знаете, изменяет энергию активации и прямой, и обратной реакций на одну и ту же величину. Катализатор может лишь ускорить наступление равновесия, не влияя на значение константы равновесия.

На рисунке 36 показано влияние катализатора на время установления равновесия.

Рис. 36.
Влияние катализатора на время установления равновесия в обратимой реакции без катализатора (t1) и в присутствии катализатора (t2)

 

 

 

Top.Mail.Ru
Top.Mail.Ru