ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Химическое равновесие из "Химия, пособие для поступающих в ВУЗ" Чтобы лучше понять сущность химического равновесия п причины, по которым химическая система стремится к состоянию равновесия, рассмотрим некоторые физические процессы и законы, управляющие этими процессами. Представление о направленности процессов в природе формируется у человека даже без специального обучения, оно возникает как интуитивное, на основании повседневного опыта. Человек с детства знает, что тяжелые предметы падают вниз. Позже он узнаёт, что макроскопические тела падают вниз потому, что притягиваются к Земл2. [c.37] Наблюдение простых механических процессов приводит к выводу, что, как правило, самопроизвольно совершаются такие процессы, которые сопровождаются уменьшением потенциальной энергии. Так, при падении тела на Землю уменьшается потенциальная энергия системы данное тело — Земля, Если же механический процесс сопровождается возрастанием потенциальной энергии, то он не будет совершаться самопроизвольно, Действительно, камень сам собой не оторвется от поверхности Земли н не устремится вверх. Поднять его можно, только затратив (подведя извне) определенное количество энергии. [c.37] Химическим аналогом механического процесса (падение камня) является экзотермическая реакция оба процесса характеризуются уменьшением запаса энергии системы. Напрашивается вывод, что самопроизвольно будут протекать лишь экзотермические реакции, В свое время так и полагали, и положение это получило название принципа Бертло —Томсена. [c.37] Однако накопление знаний о химических реакциях показало, что достаточно распространены и эндотермические реакции, особенно прн высоких температурах. Вообще, во все.х явлениях, в которых участвуют не макроскопические тела как едииое целое, а большие количества малых частиц (молекулы, атомы, ионы), направление самопроизвольно протекающего процесса нельзя однозначно предсказать только по знаку энергетического эффекта, т. е, по изменению запаса энергии в системе. [c.37] Мы знаем, что при любой температуре, отличной от абсолютного нуля, частицы (молекулы, атомы, ионы) находятся в состоянии теплового движения. В случае газа, когда движение молекул не ограничивается поверхностью раздела, т. е. границами тела, хаотическое движение молекул приводит к тому, что они распределяются в возможно большем пространстве, Тенденция к хаотическому движению имеет место и в жидком п твердом теле, но в этом случае ее проявление более ограничено. [c.38] Эта вторая тенденция и конкурирует с первой — к минимуму энергии системы. Результатом конкуренции их является устаиоолеиц-е и системе некоторого состояния равновесия. Так, м.олекулы воздуха распределяются в атмосфере Земли таким образом, что их концентрация закономерно убывает с высотой. Ес.п легко испаряющемуся жидкому или твердому веществу предоставить некоторый замкнутый объем, то через какое-то время концентрация паров этого вещества достигнет определенной величины, соответствующей давлению насыщенного па а прн данной температуре, и дальнейшее испарение прекратится, т. е. установится равновесие между паром и жидкостью или твердым веществом. [c.38] Поскольку тенденция к распределению частиц в возможно большем объеме связана с тепловым движением, она проявляется в тем большей степени, чем выше температура. Следовательно, каждой температуре будет соответствовать определенное соотношение в степени проявления обеих тенденций и вое состояние равновесия для данной системы. Температура кипения жидкости или возгонки твердого тела — это та температура, при которой обе тенденции уравновешивают друг друга при атмосферном давлении. [c.38] Каждой температуре будет отвечать определенное соотноще-нке концентраций исходных веществ и продуктов реакции. Если ири некоторой температуре, при которой реакция идет с достаточной скоростью, смешать вещества А и В, то начнется превращение их в вещества С и В. Концентрации последних будут увеличиваться во времени (кривая 1 на рис. 1). В общем случае реакция пойдет не до конца, т. е. не до полного превращения веществ А и В, а лишь до некоторого предела, отвечающего положению равновесия при данной температуре. [c.39] Характер смещения равновесия при изменении условий опи сывается принципом Ле Шателье (1884 г.). Суть его заключается в следующем если на систему, находившуюся в состоянии равновесия, оказано внешнее воздействие (изменены температура, давление, добавлены или выведены из системы некоторые количества веществ), то в системе происходит сдвиг равновесия (и соответственно изменение равновесного состава) в направлении, ослабляюи ем это воздействие. [c.41] В реакциях с участием газообразных веществ при повышении давления (и, следовательно, увеличении числа молекул в единице объема) равновесие смещается в сторону уменьшения числа молей газа (уменьшается число молекул в единице объема. что при постоянном объеме соответствует понижению давления). И наоборот, при понижении давления равновесие смещается в сторону увеличения числа молей газа (увеличивается объем, занимаемый газом при постоянном давлении). [c.41] Если в реакции участвуют только конденсированные фазы (твердые веп1ества и жидкости), то влияние давления на равновесие подчиняется тем же закономерностям при повышении давления равновесие смеи1ается в сторону преимущественного протекания того процесса, который сопровождается уменьшением объема. Однако, так как при изменении давления объем твердых и жидких веществ меняется несравненно меньше, нежели объем газов, то и заметного смещения равновесия в случае жидких и твердых веществ можно достичь лишь при очень высоких давлениях. [c.41] Увеличение концентрации одного из исходных веи1еств путем ввода в систему дополнительного количества этого вещества смещает равновесие в сторону образования продуктов реакции (расходуется часть дополнительно введенного вещества), а повышение концентрации одного из продуктов — в сторону образования исходных веществ. Напротив, уменьшение концентрации одного из реагирующих веществ ведет к смещению равновесия в сторону обратной реакции, а уменьшение Концентрации одного из продуктов — к смещению равновесия в сторону прямой реакции. [c.41] Отсюда следует, что, вводя избыток тою или иного участника равновесной системы или отбирая какое-то вещество из системы, можно управлять выходом продуктов реакции. Этим широко пользуются на практике. [c.42] Вернемся к схематической реакции, приведенной на с. 39. Пусть, напрпмер, вещество А является более ценным, чем вещество В, н потому желательно возможно полнее превратить А 3 продукт реакции. Очевидно, в таком случае надо взять избыток вещества В — тогда равновесие сместится в сторону более полного превращения А в продукт. Если, наоборот, по каким-то причинам мы хотим, чтобы вещество А по возможности меньше вступало в реакцию с В, надо ввести в систему побольше вещества С или О. Таким же образом поступают, еслг надо подавить образование продуктов реакции (С и О) в систему вводят избыток вещества С (если хотят получить меньше продукта О) или вещества О (если нужно уменьшить образование С). Подобным приемом часто пользуются в ана-ЛЕ ГЕ1ческой химии, когда хотят, чтобы какой-то ион возможно поль ее перешел в осадок — прибавляют избыток реактива, осаждающего этот ион из раствора. [c.42] Конкретные примеры, в которых находит применение принцип Ле Шателье, рассмотрены в разделе П, а в главе 4 более подробно излагаются вопросы, касающиеся равновесий в водных растворах электролитов. [c.42] В заключение этого параграфа отметим, что изучение закономерностей, управляющих химическим равновесием, очень важно для понимания химии вообще. Константа равновесия — это та характеристика химической системы, которая позволяет судить о том, будет ли протекать та или иная химическая реакция. Хотя по равновесию судят о некотором состоянии химической системы, косвенно в этой информации содержатся сведения и о процессе, о направлении самопроизвольного процесса. Дело в том, что каждый химический процесс может идти лишь в направлении достижения состояния равновесия, соответствующего данным условиям. Это означает, что, зная, каким должно быть состояние равновесия в данных условиях, мы можем предсказать, в каком направлении будут протекать химические превращения в той или иной системе. [c.42] То же самое произойдет, если привести к таким же условиям. скажем, смесь I моль Нг, 1/2 моль О2 и 1 моль Н2О пойдет реакция между молекулами Нг и О2, которая закончится практически полным их превращением в Н2О. Если привести к тем же условиям 1 моль Н2О, то разложение молекул водь[, хотя и может, в принципе, происходить, но с очень малой вероятностью, поскольку равновесная концентрация Н2 и О2 в этих условиях ничтожно мала, и потому реакция практически не пойдет. [c.43] Вернуться к основной статье