ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ. Большинство химических процессов обратимы, т.е
Большинство химических процессов обратимы, т.е. наряду с прямой реакцией, по мере накопления продуктов реакции, начинает идти обратный процесс. Данное обстоятельство следует иметь ввиду при экономической оценке технологических процессов, поскольку обратимые процессы не идут до полного превращения исходных веществ в продукты реакции и фактический выход продуктов реакции всегда меньше теоретически возможного. Механизм установления химического равновесия Рассмотрим химическую реакцию получения йодоводорода из йода и водорода, протекающую обратимо при температуре около 450 0С в газообразной фазе: Н2 (газ) + J2 (газ) <══> 2HJ (газ) Скорость химической реакции в начальный момент времени, когда в систему загрузили иод и водород пропорциональна их концентрации υ прямой реакции = k прямой реакции ∙с (H2) ∙с (J2). С течением времени в концентрация исходных веществ (йода и водорода) уменьшается, накапливается продукт реакции (йодоводород), и пойдёт обратный процесс, скорость которого υ обратной реакции = k обратной реакции ∙ с2 (HJ) будет увеличиваться (рис. 1.9). Состояние равновесиянаступает в тот момент, когда скорость прямой реакции станет равной скорости обратной реакции υпрямой реакции = υобратной реакции.
Рис. 1.9 ─ Схема механизма установления химического равновесия
Если равны левые части двух уравнений, то равны и правые части k прямой реакции ∙[H2] ∙ [J2] = k обратной реакции∙ [HJ]2 (концентрации веществ в равновесном состоянии принято записывать в квадратных скобках). Преобразуя предыдущее уравнение, получим выражение для закона действующих масс
где К ─ константа химического равновесия. Константа химического равновесия представляет собой отношение константы скорости прямой реакции к константе скорости обратной реакции, а также отношение произведения равновесных концентраций продуктов реакции к произведению равновесных концентраций исходных веществ. Константа химического равновесия зависит от температуры и природы реагирующих веществ, но не зависит от концентрации. Константа химического равновесия является количественной характеристикой химического равновесия и характеризует выход продуктов реакции. Если К >1, то в равновесной системе больше продуктов реакции, т.е. в данном случае выход продуктов реакции больше, чем исходных веществ. Если К<1, химическое равновесие смещено в сторону образования исходных веществ, которых находится больше в равновесной системе. Смещение химического равновесия В момент наступления химического равновесия концентрации реагирующих веществ являются равновесными и не изменяются при отсутствии внешнего воздействия, т.е. при неизменности параметров процесса: температуры, концентрации, давления. Состояние химического равновесия ─ это термодинамически устойчивое состояние, т.к. система приходит в него самопроизвольно, а поэтому для вывода системы из состояния равновесия необходимо внешнее воздействие, причём, внешнее воздействие на скорость прямой и обратной реакции должно влиять по-разному. Изменение хотя бы одного из параметров приводит к нарушению равновесия, т.к. скорость прямого и обратного процесса изменяется по разному. Через некоторое время устанавливается новое равновесие, с иными равновесными концентрациями. Переход системы из одного состояния равновесия в другое под влиянием изменения параметров процесса называется смещением химического равновесия.Смещение химического равновесия происходит в соответствии с принципом Ле Шателье.
Пример 1. 22. Каким изменением внешних условий можно повысить полноту сгорания угля 2С (кр.) + О2 (газ) <══> 2СО (газ); ∆ Н<О? Решение. Для увеличения полноты сгорания угля необходимо, чтобы скорость прямой реакции стала больше, чем скорость обратной реакции. Концентрация кислорода в ходе прямого процесса уменьшается, поэтому для увеличения скорости этого процесса концентрацию кислорода следует увеличивать. В процессе сгорания угля теплота выделяется в окружающую среду (∆ Н<О), поэтому внешнее воздействие на систему должно состоять в понижении температуры окружающей среды. Давление в системе в результате прямого процесса увеличивается (из одного моль газа О2 образуется два моль газообразного СО). Скорость прямого процесса будет больше, чем скорость обратного процесса при условии удаления из системы продукта реакции, что может произойти в том случае, если давление в окружающей среде станет меньше, чем в равновесной системе. Таким образом, полноту сгорания угля можно повысить, если в среде,окружающей равновесную систему, понизить температуру и давление и ввести дополнительное количество кислорода. Следовательно, для смещения равновесия в нужную сторону, внешний фактор (P, C, T) должен измениться противоположно тому, как это происходит в ходе данного процесса.
Влияние внешних факторов на смещение химического равновесия иллюстрируется табл. 1.2. Таблица 1.2 Изменение параметров процесса при смещении химического равновесия
Пример 1.23. Уменьшение углекислого газа в системе СаСО3(т) ↔ СаО(т) + СО2(г) приведет к… 1) увеличению содержания исходных веществ 2) уменьшению содержания продуктов и исходных веществ 3) увеличению содержания продуктов реакции 4) состояние равновесия не изменится Удаление из системы продукта реакции (СО2) приведёт к уменьшению скорости обратной реакции и равновесная система ответит противодействием − образованием дополнительного количества СО2, т.к. скорость прямой реакции станет больше скорости обратной реакции.
Константа химического равновесия связана с энергией Гиббса соотношением: ΔG хим. проц. = – ν R T×ln Kp хим. проц., где ν – количество вещества, моль; ΔG – значение энергии Гиббса химического процесса, кДж, при температуре Т, К; R – универсальная газовая постоянная, 8,31×10‾3 кДж/(моль×К); Кр – константа химического равновесия.
|
