Pöörduvad ja pöördumatud keemilised reaktsioonid. Keemiline tasakaal

PÖÖRDEVAD JA PÖÖRDAMATUD REAKTSIOONID.

Pööratav Keemilises kineetikas on need reaktsioonid, mis kulgevad samaaegselt ja iseseisvalt kahes suunas - edasi ja tagasi, kuid erineva kiirusega. Pöörduvatele reaktsioonidele on iseloomulik, et mõni aeg pärast nende algust muutuvad edasi- ja tagasireaktsiooni kiirused võrdseks ning tekib keemiline tasakaal.

Kõik keemilised reaktsioonid pöörduvad, kuid teatud tingimustel võivad mõned neist liikuda ainult ühes suunas, kuni esialgsed tooted peaaegu täielikult kaovad. Selliseid reaktsioone nimetatakse pöördumatu. Tavaliselt on pöördumatud reaktsioonid need, mille käigus eemaldatakse reaktsioonialast vähemalt üks reaktsiooniprodukt (lahustes toimuva reaktsiooni korral see sadestub või vabaneb gaasina) või reaktsioonid, millega kaasneb suur positiivne termiline efekt. . Ioonreaktsioonide puhul on reaktsioon praktiliselt pöördumatu, kui selle tulemusena tekib väga halvasti lahustuv või vähe dissotsieerunud aine.

Siin käsitletav reaktsiooni pöörduvuse mõiste ei lange kokku termodünaamilise pöörduvuse mõistega. Reaktsioon, mis on kineetilises mõttes pöörduv, võib termodünaamilises mõttes kulgeda pöördumatult. Selleks, et reaktsiooni saaks nimetada termodünaamilises mõttes pöörduvaks, peab edasisuunalise protsessi kiirus lõpmatult vähe erinema pöördprotsessi kiirusest ja seetõttu peab protsess tervikuna kulgema lõpmatult aeglaselt.

Ideaalsetes gaasisegudes ja ideaalsetes vedelates lahustes järgivad lihtsate (üheastmeliste) reaktsioonide kiirused massilise tegevuse seadus. Keemilise reaktsiooni kiirust (1.1) kirjeldab võrrand (1.2) ja otsese reaktsiooni korral võib selle esitada järgmiselt:

kus on edasisuunalise reaktsiooni kiiruskonstant.

Samamoodi on pöördreaktsiooni kiirus:

(1.5)

Seega tasakaaluolekus:

(1.6)

See võrrand väljendab massi mõju seadust keemilise tasakaalu saavutamiseks ideaalsüsteemides; K - k o n s t a n t a r a v e n e w e s t .

Reaktsioonikonstant võimaldab leida reaktsioonisegu tasakaalukompositsiooni antud tingimustes.

Reaktsioonikiiruste massimõju seadust saab seletada järgmiselt.

Reaktsiooni toimumiseks on vajalik lähteainete molekulide kokkupõrge, s.t. molekulid peavad lähenema üksteisele aatomisuuruste suurusjärgu kaugusel. Tõenäosus leida antud hetkel mingis väikeses mahus l aine L molekulid, m aine M molekulid jne. proportsionaalne ..... seepärast on kokkupõrgete arv mahuühiku kohta ajaühikus võrdeline selle väärtusega; seega järgneb võrrand (1.4).

Kodifitseerija teemad: pööratav ja mitte pöörduvad reaktsioonid. Keemiline tasakaal. Keemilise tasakaalu nihe erinevate tegurite mõjul.

Kui pöördreaktsioon on võimalik, jagatakse keemilised reaktsioonid pöörduvateks ja pöördumatuteks.

Pöörduvad keemilised reaktsioonid on reaktsioonid, mille produktid võivad antud tingimustes üksteisega suhelda.

Pöördumatud reaktsioonid on reaktsioonid, mille tooted ei saa antud tingimustes üksteisega interakteeruda.

Lisateavet selle kohta keemiliste reaktsioonide klassifikatsioon saab lugeda.

Toote koostoime tõenäosus sõltub protsessi tingimustest.

Seega, kui süsteem avatud, st. vahetustega keskkond nii ainet kui energiat, siis on keemilised reaktsioonid, mille käigus tekivad näiteks gaasid, pöördumatud. Näiteks , tahke naatriumvesinikkarbonaadi kaltsineerimisel:

2NaHCO 3 → Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O

Süsinikdioksiid eraldub ja aurustub reaktsioonitsoonist. Seetõttu on see reaktsioon pöördumatu nendel tingimustel. Kui arvestada suletud süsteem , mis ei saa vahetada ainet keskkonnaga (näiteks suletud kasti, milles reaktsioon toimub), siis ei pääse süsinikdioksiid reaktsioonitsoonist välja ning interakteerub vee ja naatriumkarbonaadiga, siis on reaktsioon pöörduv need tingimused:

2NaHCO 3 ⇔ Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O

Mõelgem pöörduvad reaktsioonid. Laske pöörduval reaktsioonil kulgeda vastavalt skeemile:

aA + bB = cC + dD

Edasiliikumise kiirus vastavalt massimõju seadusele määratakse avaldisega: v 1 =k 1 ·C A a ·C B b, pöördreaktsiooni kiirus: v 2 =k 2 ·C С с ·C D d . Kui reaktsiooni alghetkel ei ole süsteemis aineid C ja D, siis põhiliselt põrkuvad ja interakteeruvad osakesed A ja B ning tekib valdavalt otsene reaktsioon. Järk-järgult hakkab suurenema ka osakeste C ja D kontsentratsioon, mistõttu pöördreaktsiooni kiirus suureneb. Mingil hetkel edasisuunalise reaktsiooni kiirus on võrdne pöördreaktsiooni kiirusega. Seda seisundit nimetatakse keemiline tasakaal .

Seega keemiline tasakaal on süsteemi olek, milles edasi- ja tagasireaktsiooni kiirused on võrdsed .

Sest edasi- ja tagasireaktsiooni kiirused on võrdsed, ainete moodustumise kiirus on võrdne nende tarbimise kiirusega ja vool ainete kontsentratsioonid ei muutu . Selliseid kontsentratsioone nimetatakse tasakaal .

Pange tähele, et tasakaalus on nii otseseid kui ka vastupidiseid reaktsioone, see tähendab, et reagendid interakteeruvad üksteisega, kuid ka tooted suhtlevad sama kiirusega. Samal ajal võivad välised tegurid mõjutada tõrjuda keemiline tasakaal ühes või teises suunas. Seetõttu nimetatakse keemilist tasakaalu liikuvaks või dünaamiliseks.

Uurimine mobiilse tasakaalu vallas algas 19. sajandil. Henri Le Chatelier' teosed panid aluse teooriale, mille hiljem üldistas teadlane Karl Brown. Mobiilse tasakaalu põhimõte ehk Le Chatelier-Browni põhimõte ütleb:

Kui tasakaaluseisundis süsteemi mõjutab väline tegur, mis muudab mõnda tasakaalutingimustest, siis intensiivistuvad süsteemis protsessid, mille eesmärk on välismõju kompenseerimine.

Teisisõnu: kui süsteemil on väline mõju, nihkub tasakaal selliselt, et see välismõju kompenseeritakse.

See põhimõte, mis on väga oluline, töötab kõigi tasakaalunähtuste (mitte ainult keemiliste reaktsioonide) puhul. Siiski käsitleme seda nüüd seoses keemiliste interaktsioonidega. Keemiliste reaktsioonide korral põhjustavad välismõjud ainete tasakaalukontsentratsioonide muutumist.

Tasakaalus toimuvaid keemilisi reaktsioone võivad mõjutada kolm peamist tegurit - temperatuur, rõhk ja reagentide või toodete kontsentratsioon.

1. Nagu teada, kaasneb keemiliste reaktsioonidega termiline efekt. Kui otsene reaktsioon toimub soojuse vabanemisega (eksotermiline või +Q), siis pöördreaktsioon toimub soojuse neeldumisel (endotermiline või -Q) ja vastupidi. Kui tõstad temperatuuri süsteemis nihkub tasakaal selliselt, et seda kasvu kompenseerida. On loogiline, et eksotermilise reaktsiooni korral ei saa temperatuuri tõusu kompenseerida. Seega temperatuuri tõustes nihkub tasakaal süsteemis soojuse neeldumise suunas, s.t. endotermiliste reaktsioonide suunas (-Q); temperatuuri langusega - eksotermilise reaktsiooni suunas (+Q).

2. Tasakaalureaktsioonide korral, kui vähemalt üks ainetest on gaasifaasis, mõjutab tasakaalu oluliselt ka muutus survet süsteemis. Rõhu tõustes püüab keemiline süsteem seda mõju kompenseerida ja suurendab reaktsiooni kiirust, mille käigus kogus gaasilised ained väheneb. Rõhu langedes suurendab süsteem reaktsiooni kiirust, mis tekitab rohkem gaasiliste ainete molekule. Seega: rõhu tõusuga nihkub tasakaal gaasimolekulide arvu vähenemise suunas ja rõhu langusega gaasimolekulide arvu suurenemise suunas.

Märge! Süsteeme, kus reageerivate gaaside ja produktide molekulide arv on sama, rõhk ei mõjuta! Samuti ei avalda rõhu muutused praktiliselt mingit mõju lahuste tasakaalule, s.t. reaktsioonidele, kus gaase ei esine.

3. Samuti mõjutavad muutused keemiliste süsteemide tasakaalu kontsentratsioonid reagendid ja tooted. Reagentide kontsentratsiooni suurenedes püüab süsteem neid ära kasutada ja suurendab edasisuunalise reaktsiooni kiirust. Kui reaktiivide kontsentratsioon väheneb, püüab süsteem neid toota ja pöördreaktsiooni kiirus suureneb. Toodete kontsentratsiooni kasvades püüab süsteem neid ka tarbida ja suurendab pöördreaktsiooni kiirust. Toodete kontsentratsiooni vähenemisel suurendab keemiline süsteem nende moodustumise kiirust, s.t. edasisuunalise reaktsiooni kiirus.

Kui sisse keemiline süsteem edasisuunalise reaktsiooni kiirus suureneb õige , toodete moodustamise suunas Ja reaktiivi tarbimine . Kui pöördreaktsiooni kiirus suureneb, ütleme, et tasakaal on nihkunud vasakule , toidu tarbimise suunas Ja reaktiivide kontsentratsiooni suurendamine .

Näiteks, ammoniaagi sünteesi reaktsioonis:

N2 + 3H2 = 2NH3 + Q

Rõhu tõus toob kaasa reaktsioonikiiruse tõusu, mille käigus tekib vähem gaasimolekule, s.t. otsene reaktsioon (reageerivate gaaside molekulide arv on 4, gaasimolekulide arv toodetes on 2). Rõhu suurenedes nihkub tasakaal paremale toodete poole. Kell temperatuuri tõus tasakaal nihkub endotermilise reaktsiooni vastassuunas, st. vasakule, reaktiivide poole. Lämmastiku või vesiniku kontsentratsiooni tõus nihutab tasakaalu nende tarbimise suunas, s.t. paremale, toodete poole.

Katalüsaator ei mõjuta tasakaalu, sest kiirendab nii edasi- kui ka tagurpidi reaktsioone.

Keemilised reaktsioonid võivad olla pöörduvad või pöördumatud.

need. kui mõni reaktsioon A + B = C + D on pöördumatu, tähendab see, et pöördreaktsiooni C + D = A + B ei toimu.

st kui teatud reaktsioon A + B = C + D on pöörduv, tähendab see, et nii reaktsioon A + B → C + D (otsene) kui ka reaktsioon C + D → A + B (tagurpidi) toimuvad samaaegselt ).

Sisuliselt sellepärast Toimuvad nii otse- kui ka pöördreaktsioonid, pöörduvate reaktsioonide korral võib nii võrrandi vasakpoolseid aineid kui ka võrrandi paremal poolel olevaid aineid nimetada reaktiivideks (lähteaineteks). Sama kehtib ka toodete kohta.

Iga pöörduva reaktsiooni korral on võimalik olukord, kus edasi- ja tagasireaktsiooni kiirus on võrdne. Seda tingimust nimetatakse tasakaalu seisund.

Tasakaalus on nii kõigi reagentide kui ka kõigi saaduste kontsentratsioonid konstantsed. Saaduste ja reaktiivide kontsentratsioone tasakaalus nimetatakse tasakaalukontsentratsioonid.

Keemilise tasakaalu nihe erinevate tegurite mõjul

Süsteemi välismõjude tõttu, nagu temperatuuri, rõhu või lähteainete või saaduste kontsentratsiooni muutused, võib süsteemi tasakaal olla häiritud. Kuid pärast selle välismõju lakkamist liigub süsteem mõne aja pärast uude tasakaaluolekusse. Sellist süsteemi üleminekut ühest tasakaaluseisundist teise tasakaaluolekusse nimetatakse keemilise tasakaalu nihkumine (nihe). .

Et oleks võimalik kindlaks teha, kuidas keemiline tasakaal teatud tüüpi mõju all nihkub, on mugav kasutada Le Chatelier’ põhimõtet:

Kui tasakaaluseisundis süsteemile avaldatakse välist mõju, langeb keemilise tasakaalu nihke suund kokku reaktsiooni suunaga, mis nõrgendab mõju mõju.

Temperatuuri mõju tasakaaluseisundile

Kui temperatuur muutub, nihkub mis tahes keemilise reaktsiooni tasakaal. See on tingitud asjaolust, et igal reaktsioonil on termiline efekt. Kus termilised mõjud edasi- ja tagurpidi reaktsioonid on alati täpselt vastandlikud. Need. kui pärireaktsioon on eksotermiline ja kulgeb soojusefektiga, mis on võrdne +Q-ga, siis on pöördreaktsioon alati endotermiline ja selle termiline efekt on võrdne -Q-ga.

Seega, kui tõstame Le Chatelier’ põhimõtte kohaselt mõne tasakaaluseisundis oleva süsteemi temperatuuri, siis tasakaal nihkub reaktsiooni suunas, mille käigus temperatuur langeb, s.t. endotermilise reaktsiooni suunas. Ja samamoodi, kui alandame tasakaaluseisundis süsteemi temperatuuri, nihkub tasakaal reaktsiooni suunas, mille tulemusena temperatuur tõuseb, s.t. eksotermilise reaktsiooni suunas.

Näiteks kaaluge järgmist pöörduvat reaktsiooni ja näidake, kuhu selle tasakaal temperatuuri langedes nihkub:

Nagu ülaltoodud võrrandist näha, on edasisuunaline reaktsioon eksotermiline, st. Selle esinemise tagajärjel eraldub soojust. Järelikult on pöördreaktsioon endotermiline, see tähendab, et see toimub soojuse neeldumisel. Vastavalt seisundile alandatakse temperatuuri, mistõttu tasakaal nihkub paremale, s.t. otsese reaktsiooni suunas.

Kontsentratsiooni mõju keemilisele tasakaalule

Reaktiivide kontsentratsiooni suurendamine vastavalt Le Chatelier’ põhimõttele peaks kaasa tooma tasakaalu nihke reaktsiooni suunas, mille tulemusena reaktiivid kuluvad, s.t. otsese reaktsiooni suunas.

Ja vastupidi, kui reagentide kontsentratsiooni vähendada, siis tasakaal nihkub reaktsiooni poole, mille tulemusena tekivad reagendid, s.t. pöördreaktsiooni pool (←).

Sarnane mõju on ka reaktsioonisaaduste kontsentratsiooni muutusel. Toodete kontsentratsiooni suurendamisel nihkub tasakaal reaktsiooni poole, mille tulemusena tooted tarbitakse, s.t. pöördreaktsiooni suunas (←). Kui aga toodete kontsentratsioon väheneb, siis tasakaal nihkub otsereaktsiooni (→) suunas, mistõttu toodete kontsentratsioon suureneb.

Rõhu mõju keemilisele tasakaalule

Erinevalt temperatuurist ja kontsentratsioonist ei mõjuta rõhu muutused iga reaktsiooni tasakaaluolekut. Selleks, et rõhu muutus tooks kaasa keemilise tasakaalu nihke, peavad võrrandi vasakul ja paremal küljel gaasiliste ainete koefitsientide summad olema erinevad.

Need. kahest reaktsioonist:

rõhu muutus võib tasakaaluseisundit mõjutada ainult teise reaktsiooni korral. Kuna koefitsientide summa gaasiliste ainete valemite ees on esimese võrrandi korral vasakul ja paremal sama (võrdne 2-ga) ja teise võrrandi puhul erinev (4 vasakul ja 2 paremal).

Siit tuleneb eelkõige, et kui nii reagentide kui ka toodete hulgas ei ole gaasilisi aineid, siis rõhu muutus ei mõjuta Praegune seis tasakaalu. Näiteks rõhk ei mõjuta reaktsiooni tasakaaluolekut:

Kui vasakul ja paremal on gaasiliste ainete hulk erinev, siis põhjustab rõhu tõus tasakaalu nihkumist reaktsiooni suunas, mille käigus gaaside maht väheneb ja rõhu langus põhjustab nihke tasakaal, mille tulemusena suureneb gaaside maht.

Katalüsaatori mõju keemilisele tasakaalule

Kuna katalüsaator kiirendab võrdselt nii edasi- kui ka vastupidiseid reaktsioone, siis selle olemasolu või puudumine ei oma mõju tasakaaluseisundisse.

Ainus, mida katalüsaator võib mõjutada, on süsteemi ülemineku kiirus mittetasakaalulisest olekust tasakaaluolekusse.

Kõikide ülaltoodud tegurite mõju keemilisele tasakaalule on allpool kokku võetud petulehena, mida saate esialgu tasakaaluülesannete täitmisel vaadata. Seda pole aga eksamil võimalik kasutada, nii et pärast selle abiga mitme näite analüüsimist peaksite seda õppima ja harjutama tasakaaluülesannete lahendamist ilma seda vaatamata:

Nimetused: T - temperatuur, lk - surve, Koos – keskendumine, – tõus, ↓ – vähenemine

Kõik keemilised reaktsioonid jagunevad kahte tüüpi: pöörduvad ja pöördumatud.

Pöördumatu nimetatakse reaktsioonideks, mis kulgevad ainult ühes suunas, st nende reaktsioonide produktid ei interakteeru üksteisega, moodustades lähteaineid.

Pöördumatu reaktsioon lõpeb, kui vähemalt üks lähteaine on täielikult ära kasutatud. Põlemisreaktsioonid on pöördumatud; paljud keerukate ainete termilise lagunemise reaktsioonid; enamik reaktsioone, mille tulemuseks on sademete teke või gaasiliste ainete eraldumine jne. Näiteks:

C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O

2KMnO4 = K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2

BaCl 2 + H 2 SO 4 = BaSO 4 ↓ + 2HCl

Pööratav Reaktsioone, mis toimuvad samaaegselt edasi- ja tagasisuunas, nimetatakse:

Pöörduvate reaktsioonide võrrandites kasutatakse pöörduvuse märki.

Pöörduva reaktsiooni näide on vesinikjodiidi süntees:

Mõni aeg pärast keemilise reaktsiooni algust saab gaasisegus tuvastada mitte ainult reaktsiooni lõpp-produkti HI, vaid ka lähteaineid -H 2 ja I 2. Olenemata sellest, kui kaua reaktsioon kestab, sisaldab reaktsioonisegu temperatuuril 350 o C alati ligikaudu 80% HI-d, 10% H2-d ja 10% I2-d. Kui võtta lähteaineks HI ja kuumutada see samale temperatuurile, võime leida, et mõne aja pärast on kõigi kolme aine koguste suhe sama. Seega toimuvad vesiniku ja joodi vesinikjodiidi moodustumisel samaaegselt otsesed ja pöördreaktsioonid.

Kui lähteainetena võtta vesinikku ja joodi kontsentratsioonides ja, siis oli otsereaktsiooni kiirus algsel ajahetkel võrdne: v pr = k pr ∙ . Pöördreaktsiooni kiirus v arr = k arr 2 algsel ajahetkel on null, kuna reaktsioonisegus ei ole vesinikjodiidi ( = 0). Järk-järgult väheneb edasisuunalise reaktsiooni kiirus, kuna vesinik ja jood reageerivad ning nende kontsentratsioon väheneb. Sel juhul suureneb pöördreaktsiooni kiirus, kuna moodustunud vesinikjodiidi kontsentratsioon suureneb järk-järgult. Kui päri- ja pöördreaktsiooni kiirused muutuvad võrdseks, tekib keemiline tasakaal. Tasakaaluseisundis moodustub teatud aja jooksul sama arv HI molekule, kui need lagunevad H 2 -ks ja I 2 -ks.

Pöörduva reaktsiooni olekut, milles edasisuunalise reaktsiooni kiirus on võrdne pöördreaktsiooni kiirusega, nimetatakse keemiline tasakaal.

Keemiline tasakaal on dünaamiline tasakaal. Tasakaaluseisundis toimuvad jätkuvalt nii päri- kui ka vastupidised reaktsioonid, kuid kuna nende kiirused on võrdsed, siis kõikide ainete kontsentratsioonid reaktsioonisüsteemis ei muutu. Neid kontsentratsioone nimetatakse tasakaalukontsentratsioonideks.

Keemilise tasakaalu nihe

Le Chatelier’ põhimõte

Keemiline tasakaal on liikuv. Väliste tingimuste muutumisel võivad edasi- ja tagasireaktsioonide kiirused muutuda ebavõrdseks, mis põhjustab tasakaalu nihke.

Kui välismõju tulemusena muutub edasisuunalise reaktsiooni kiirus suurem kui pöördreaktsiooni kiirus, siis räägime tasakaalunihkest õige(otse reaktsiooni suunas). Kui pöördreaktsiooni kiirus muutub suuremaks kui edasisuunalise reaktsiooni kiirus, siis räägime tasakaalu nihkest vasakule(vastupidise reaktsiooni suunas). Tasakaalu nihke tulemuseks on süsteemi üleminek uude tasakaaluolekusse, kus reageerivate ainete kontsentratsioonide suhe on erinev.

Tasakaalu nihke suund määratakse põhimõttega, mille sõnastas prantsuse teadlane Le Chatelier (1884):

Kui tasakaalusüsteemile avaldatakse väline mõju, siis tasakaal nihkub reaktsiooni (otse või vastupidise) suunas, mis sellele mõjule neutraliseerib.

Kõige olulisemad välistegurid, mis võivad viia keemilise tasakaalu muutumiseni, on:

a) reageerivate ainete kontsentratsioonid;

b) temperatuur;

c) surve.

Reagentide kontsentratsiooni mõju

Kui mõni reaktsioonis osalev aine viiakse tasakaalusüsteemi, nihkub tasakaal reaktsiooni suunas, mille käigus seda ainet tarbitakse. Kui tasakaalusüsteemist eemaldatakse mõni aine, nihkub tasakaal reaktsiooni suunas, mille käigus see aine tekib.

Näiteks kaaluge, milliseid aineid tuleks sisse viia ja millised ained tuleks tasakaalusüsteemist eemaldada, et pööratav sünteesireaktsioon nihkuks paremale:

Tasakaalu nihutamiseks paremale (ammoniaagi moodustumise otsese reaktsiooni suunas) on vaja tasakaalusegusse viia vesinik (st suurendada nende kontsentratsioone) ja eemaldada tasakaalusegust ammoniaak (st vähendada selle kontsentratsiooni).

Temperatuuri mõju

Edasi- ja pöördreaktsioonidel on vastupidine termiline mõju: kui pärireaktsioon on eksotermiline, siis pöördreaktsioon on endotermiline (ja vastupidi). Kui süsteemi kuumutatakse (st selle temperatuur tõuseb), nihkub tasakaal endotermilise reaktsiooni suunas; jahtumisel (madalam temperatuur) nihkub tasakaal eksotermilise reaktsiooni suunas.

Näiteks ammoniaagi sünteesireaktsioon on eksotermiline: N 2 (g) + 3H 2 (g) → 2NH 3 (g) + 92 kJ ja ammoniaagi lagunemisreaktsioon (pöördreaktsioon) on endotermiline: 2NH 3 (g) → N 2 (g) + 3H2 (g) - 92 kJ. Seetõttu nihutab temperatuuri tõus tasakaalu ammoniaagi lagunemise pöördreaktsiooni suunas.

Surve mõju

Rõhk mõjutab reaktsioonide tasakaalu, milles osalevad gaasilised ained. Kui välisrõhk suureneb, nihkub tasakaal reaktsiooni suunas, mille käigus gaasimolekulide arv väheneb. Vastupidi, tasakaal nihkub hariduse poole rohkem gaasilised molekulid, kui välisrõhk väheneb. Kui reaktsioon kulgeb gaasiliste ainete molekulide arvu muutmata, ei mõjuta rõhk selle süsteemi tasakaalu.

Näiteks ammoniaagi saagise suurendamiseks (nihutamine paremale) on vaja tõsta rõhku pöörduvas reaktsioonisüsteemis, kuna otsese reaktsiooni käigus väheneb gaasimolekulide arv (neljast lämmastiku ja vesiniku gaasi molekulist kaks moodustuvad gaasilise ammoniaagi molekulid).

Pöörduvad ja pöördumatud keemilised reaktsioonid. Keemiline tasakaal. Tasakaalu nihe erinevate tegurite mõjul

Keemiline tasakaal

Ühes suunas kulgevaid keemilisi reaktsioone nimetatakse pöördumatu.

Enamik keemilisi protsesse on pööratav. See tähendab, et samadel tingimustel toimuvad nii edasi- kui ka vastupidised reaktsioonid (eriti kui me räägime suletud süsteemide kohta).

Näiteks:

a) reaktsioon

$CaCO_3(→)↖(t)CaO+CO_2$

V avatud süsteem pöördumatu;

b) sama reaktsioon

$CaCO_3⇄CaO+CO_2$

suletud süsteemis on pöörduv.

Vaatleme üksikasjalikumalt pöörduvate reaktsioonide käigus toimuvaid protsesse, näiteks tingimusliku reaktsiooni korral:

Massimõju seaduse alusel otsereaktsiooni kiirus

$(υ)↖(→)=k_(1) C_(A)^(α) C_(B)^(β)$

Kuna ainete $A$ ja $B$ kontsentratsioonid aja jooksul vähenevad, väheneb ka otsereaktsiooni kiirus.

Reaktsiooniproduktide ilmumine tähendab pöördreaktsiooni võimalust ning aja jooksul suurenevad ainete $C$ ja $D$ kontsentratsioonid, mis tähendab, et suureneb ka pöördreaktsiooni kiirus:

$(υ)↖(→)=k_(2) C_(C)^(γ) C_(D)^(δ)$

Varem või hiljem jõutakse seisundisse, kus edasi- ja tagasireaktsiooni kiirused muutuvad võrdseks

${υ}↖{→}={υ}↖{←}$

Süsteemi olekut, milles edasisuunalise reaktsiooni kiirus on võrdne pöördreaktsiooni kiirusega, nimetatakse keemiliseks tasakaaluks.

Sel juhul jäävad reagentide ja reaktsioonisaaduste kontsentratsioonid muutumatuks. Neid nimetatakse tasakaalukontsentratsioonid. Makrotasandil tundub, et üldiselt ei muutu midagi. Kuid tegelikult toimuvad nii edasi- kui ka vastupidised protsessid jätkuvalt, kuid sama kiirusega. Seetõttu nimetatakse sellist tasakaalu süsteemis mobiilne Ja dünaamiline.

Tasakaalukonstant

Tähistame ainete tasakaalukontsentratsioone $[A], [B], [C], [D]$.

Siis kuna $(υ)↖(→)=(υ)↖(←), k_(1)·[A]^(α)·[B]^(β)=k_(2)·[C]^ ( γ)·[D]^(δ)$, kust

$([C]^(γ)·[D]^(δ))/([A]^(α)·[B]^(β))=(k_1)/(k_2)=K_(võrdne) $

kus $γ, δ, α, β$ on eksponendid, võrdne koefitsientidega pöörduvas reaktsioonis; $K_(võrdne)$ on keemilise tasakaalu konstant.

Saadud avaldis kirjeldab kvantitatiivselt tasakaaluseisundit ja on tasakaalusüsteemide massimõju seaduse matemaatiline väljend.

Konstantsel temperatuuril on tasakaalukonstant antud pöörduva reaktsiooni konstantne väärtus. See näitab reaktsioonisaaduste (lugeja) ja lähteainete (nimetaja) kontsentratsioonide vahelist seost, mis määratakse tasakaalus.

Eksperimentaalsete andmete põhjal arvutatakse tasakaalukonstandid, määrates lähteainete ja reaktsioonisaaduste tasakaalukontsentratsioonid teatud temperatuuril.

Tasakaalukostandi väärtus iseloomustab reaktsiooniproduktide saagist ja selle kulgemise täielikkust. Kui saame $K_(võrdne) >> 1$, tähendab see, et tasakaalus $[C]^(γ)·[D]^(δ) >> [A]^(α)·[B]^( β )$, st reaktsioonisaaduste kontsentratsioonid prevaleerivad lähteainete kontsentratsioonidest ja reaktsioonisaaduste saagis on kõrge.

$K_ (võrdne)

$CH_3COOC_2H_5+H_2O⇄CH_3COOH+C_2H_5OH$

tasakaalukonstant

$K_(võrdne)=(·)/(·)$

$20°С$ juures on väärtus $0,28$ (st vähem kui $1$). See tähendab, et märkimisväärne osa estrist ei hüdrolüüsitud.

Heterogeensete reaktsioonide korral hõlmab tasakaalukonstandi avaldis ainult nende ainete kontsentratsioone, mis on gaasi- või vedelfaasis. Näiteks reaktsiooni jaoks

tasakaalukonstanti väljendatakse järgmiselt:

$K_(võrdne)=(^2)/()$

Tasakaalukonstandi väärtus sõltub reagentide olemusest ja temperatuurist.

Konstant ei sõltu katalüsaatori olemasolust, kuna see muudab nii edasi- kui ka vastupidise reaktsiooni aktiveerimisenergiat sama palju. Katalüsaator võib ainult kiirendada tasakaalu saavutamist, ilma et see mõjutaks tasakaalukonstandi väärtust.

Tasakaalu nihe erinevate tegurite mõjul

Tasakaaluseisund säilib lõputult konstantsete välistingimuste juures: temperatuur, lähteainete kontsentratsioon, rõhk (kui reaktsioonis osalevad või tekivad gaasid).

Neid tingimusi muutes on võimalik viia süsteem ühest tasakaaluseisundist teise, mis vastab uutele tingimustele. Seda üleminekut nimetatakse nihe või tasakaalu nihe.

Mõelgem erinevatel viisidel nihkub tasakaal, kasutades näidet lämmastiku ja vesiniku vahelisest reaktsioonist ammoniaagi moodustamiseks:

$N_2+3H_2⇄2HN_3+Q$

$K_(võrdne)=(^2)/(·^3)$

Ainete kontsentratsiooni muutmise mõju

Kui reaktsioonisegule lisatakse lämmastikku $N_2$ ja vesinikku $H_2$, suureneb nende gaaside kontsentratsioon, mis tähendab, et otsereaktsiooni kiirus suureneb. Tasakaal nihkub paremale, reaktsiooniprodukti poole, s.o. ammoniaagi suunas $NH_3$.

Sama järelduse saab teha tasakaalukonstandi avaldist analüüsides. Lämmastiku ja vesiniku kontsentratsiooni kasvades nimetaja suureneb ja kuna $K_(võrdne)$ on konstantne väärtus, peab lugeja suurenema. Seega suureneb reaktsioonisaaduse $NH_3$ kogus reaktsioonisegus.

Ammoniaagi reaktsioonisaaduse $NH_3$ kontsentratsiooni suurenemine toob kaasa tasakaalu nihke vasakule, lähteainete moodustumise suunas. Selle järelduse saab teha sarnaste arutluste põhjal.

Rõhu muutuse mõju

Rõhu muutus mõjutab ainult neid süsteeme, kus vähemalt üks ainetest on gaasilises olekus. Rõhu tõustes gaaside maht väheneb, mis tähendab, et nende kontsentratsioon suureneb.

Oletame, et suletud süsteemis suurendatakse rõhku näiteks $2$ korda. See tähendab, et kõigi gaasiliste ainete ($N_2, H_2, NH_3$) kontsentratsioonid meie vaadeldavas reaktsioonis suurenevad $2$ korda. Sel juhul suureneb avaldise $K_(võrdne)$ lugeja 4 korda ja nimetaja $16$ korda, s.o. tasakaal rikutakse. Selle taastamiseks peab ammoniaagi kontsentratsioon suurenema ning lämmastiku ja vesiniku kontsentratsioonid vähenema. Tasakaal nihkub paremale. Rõhu muutus praktiliselt ei mõjuta vedelike ja tahkete ainete mahtu, s.t. ei muuda nende kontsentratsiooni. Järelikult ei sõltu gaasideta reaktsioonide keemilise tasakaalu seisund rõhust.

Temperatuurimuutuse mõju

Nagu teate, suureneb temperatuuri tõustes kõigi reaktsioonide (ekso- ja endotermiliste) kiirus. Veelgi enam, temperatuuri tõus mõjutab rohkem nende reaktsioonide kiirust rohkem energiat aktiveerimine ja seetõttu endotermiline.

Seega suureneb pöördreaktsiooni kiirus (meie näites endotermiline) rohkem kui edasisuunalise reaktsiooni kiirus. Tasakaal nihkub protsessi poole, millega kaasneb energia neeldumine.

Tasakaalu nihke suunda saab ennustada, kasutades Le Chatelier' põhimõtet (1884):

Kui tasakaalus olevale süsteemile avaldatakse väline mõju (kontsentratsioon, rõhk, temperatuurimuutused), siis tasakaal nihkub sellele poolele, mis seda mõju nõrgendab.

Teeme järeldused:

• reagentide kontsentratsiooni suurenemisega nihkub süsteemi keemiline tasakaal reaktsioonisaaduste moodustumise suunas;
• reaktsioonisaaduste kontsentratsiooni suurenemisega nihkub süsteemi keemiline tasakaal lähteainete moodustumise suunas;
• rõhu suurenedes nihkub süsteemi keemiline tasakaal reaktsiooni suunas, mille käigus moodustuvate gaasiliste ainete maht on väiksem;
• temperatuuri tõustes nihkub süsteemi keemiline tasakaal endotermilise reaktsiooni suunas;
• temperatuuri langusega - eksotermilise protsessi suunas.

Le Chatelier' põhimõte on rakendatav mitte ainult keemiliste reaktsioonide, vaid ka paljude muude protsesside puhul: aurustumine, kondenseerumine, sulamine, kristalliseerumine jne. Olulisemate keemiatoodete valmistamisel lähtutakse Le Chatelier' põhimõttest ja massimõju seadusest tulenevate arvutuste puhul. võimaldavad leida keemiliste protsesside läbiviimiseks sellised tingimused, mis tagavad soovitud aine maksimaalse saagise.