post

Химично равновесие. Обратимост на химичните реакции

Химично равновесие се нарича състоянието, при което скоростта на правата реакция е равна на скоростта на обратната реакция. При химично равновесие концентрациите на реагентите и на продуктите остават постоянни в течение на времето и се наричат равновесни концентрации.

Обратимост на химичните реакции

Химична реакция е всяко изменение или взаимодействие на веществата и превръщането им от едно в друго. На теория всяка реакция е обратима, но практически съществуват огромен брой реакции, които са необратими по една или друга причина.

Необратима химична реакция е тази, която протича до край, като всички реагенти (изходни вещества) се превръщат изцяло в продукти (крайни вещества). Те се записват от ляво на дясно както следва: първо реагентите, еднопосочна стрелка сочеща на дясно и накрая реагентите:

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H2O

Обратима химична реакция е тази, при която реагентите не взаимодействат напълно помежду си, дори ако се намират в стехиометрични количества. Причината е, че продуктите също влизат във взаимодействие един с друг и се преобразуват обратно в изходните вещества.

Реакцията на реагентите се означава със стрелка на дясно (→) и се нарича права. Реакцията на продуктите се назовава обратна и се означава със стрелка на ляво (←). Двете стрелки обикновено се записват една над друга, но може да се изобразят и като двупосочна стрелка (↔).

Пример за обратима химична реакция е взаимодействието между молекулен водород и молекулен йод при температура около 450 градуса по Целзий.

H2 + I2 ↔ 2HI

Химично равновесие

При обратимите химични реакции скоростта на правата реакция в течение на времето намалява. Причината е, защото започват да се изчерпват реагентите в химическата смес. Противно на това, концентрацията на продуктите се увеличава, а оттам и скоростта на обратната реакция. Достига се до положение, при което реагират толкова молекули от изходните вещества, колкото и от крайните вещества и скоростите в двете посоки се изравняват.

Така настъпва момент, в който ако условията са постоянни, скоростта на правата реакция се изравнява със скоростта на обратната реакция. Тогава се получава трайно състояние, в което концентрациите на реагентите и продуктите не се изменят в течение на времето. Това устойчиво състояние  се нарича химично равновесие. То може да се наблюдава както при хомогенни системи, така и при хетерогенни.

Характеристики на химичното равновесие

Химичното равновесие е двупосочно достижимо. Това ще рече, че при една обратима химична реакция, до химично равновесие може да се достигне както през правата, така и през обратната реакция. Независимо какъв е пътят, ако условията са еднакви, химичното равновесие се установява при идентични концентрации на изходните и крайните вещества.

В състояние на химично равновесие, взаимодействието между реагентите не спира така, както и взаимодействието между продуктите. Затова равновесието се нарича динамично. Макар то да е достигнато и равновесните концентрации на веществата да остават константни, молекули непрекъснато реагират и в двете посоки.

Ако условията се променят, химичното равновесие може да се измести в посока на правата или обратната реакция. Затова то се определя като подвижно и се влияе от температурата, промяната на концентрациите и понякога от налягането на системата.

Равновесна константа

Тъй като в условията на химично равновесие и при неговото достигане, говорим за скорост на химичните реакции, може да се използва законът за действие на масите (ЗДМ), за да се отрази връзката между правата и обратната реакция.

Според ЗДМ, скоростта на една химична реакция е пропорционална на произведението от моларните концентрации (с) на реагентите, повдигнати на степен равна на броя молове, с които веществата участват във взаимодействието. Коефициентът на пропорционалност се нарича скоростна константа.

Например в уравнението H2 + I2 ↔ 2HI, скоростите на правата и обратната реакция са както следва:

v1 = k1.c(H2).c(I2)

v2 = k2.c2(HI)

k1 е скоростната константа на правата реакция, а k2 е скоростната константа на обратната реакция. В условия на химично равновесие скоростите са равни:

k1.c(H2).c(I2) = k2.c2(HI) – уравнението може да се преобразува така: k1/k2 = c2(HI)/c(H2).c(I2)

отношението на две константи обаче също е константа k1/k2 = Kc , която в случая се нарича равновесна константа. От ЗДМ се вижда още, че равновесната константа може да се изрази посредством концентрациите на изходните и крайните вещества.

При обратима реакция, отношението между произведението на моларните концентрации на продуктите и произведението на моларните концентрации на реагентите, всичките повдигнати на степени равни на броя молове, с които съответното вещество участва в реакцията, се нарича равновесна константа.

Kc = сx(продукт1)y(продукт2)…/cn(реагент1)m(реагент2)… (n, m, x, y … т.н. са броят молове на съотв. вещество);

При съставянето на израза за Kc, в уравнението не се включват концентрациите на твърдите вещества и на слабия електролит вода.

Характеристики и зависимости

Големите стойности на Kc са знак, че взаимодействието е протекло почти до край. Малките стойности свидетелстват, че реагентите доминират в химичната смес. Равновесната константа не се изменя в присъствието на катализатори. Причината е, че те увеличават както скоростта на правата реакция, така и на обратната. От друга страна Kc се влияе от температурата и природата на веществата, защото скоростта на химичните процеси се повлиява от тези фактори и респективно скоростните константи на правата и обратната реакции.

Фактори способни да изместят химичното равновесие

Ако се понижи концентрацията на един от продуктите в химичната смес или се повиши концентрацията на един от реагентите, химичното равновесие се измества в посока на правата реакция. Обратното – ако се намали концентрацията на един от реагентите или се повиши концентрацията на един от продуктите, равновесието се измества в посока на обратната реакция. Промяната на концентрацията на твърдо вещество в хетерогенна система не влияе на равновесието.

Тези зависимости могат да се унагледят математически в уравнението за равновесната константа. В него, ако се повиши някоя от концентрациите в числителя, следва да се увеличи и знаменателя. В сила е и обратната зависимост, а същото важи и при понижаването на концентрациите. Все пак отношението на числителя и знаменателя винаги трябва да е еднакво, защото то е константа (Kc). Това обаче важи само при постоянна температура.

Ако химичните реакции са свързани с топлинни ефекти, т.е. с поглъщане или отдаване на топлина, всяко изменение на температурата води до изместване на химичното равновесие. В случай, че правата реакция е екзотермична, т.е. отделя се топлина, повишаването на температурата ще измести равновесието в посока на обратната реакция, а понижаването към правата. Ако правата реакция е ендотермична, т.е. поглъща се топлина, повишаването на температурата ще измести равновесието в посока на правата реакция, а понижаването в посока на обратната.

В случаите на химично равновесие, налягането има значение само, когато поне едно от веществата е газ или ако обемът на системата се изменя в течение на реакцията. При повишаване на налягането, равновесието на системата се измества в посоката на тази реакция (права или обратна), при която обемът се свива. При намаляване на налягането, химичното равновесие се измества в посоката, в която се увеличава обемът на системата.

Принцип на подвижното равновесие

От всичко казано до тук става ясно, че когато една система, намираща се в химично равновесие, бъде подложена на външно въздействие, последвалите промени имат за цел да намалят въздействието. Това е така нареченият принцип на подвижното равновесие на Льо Шателие – Браун.

Сходни Публикации

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *

Leave the field below empty!