19.2: Хімічна рівновага

Last updated

Oct 25, 2022
Save as PDF
- 19.1: Оборотна реакція
- 19.3: Постійна рівноваги

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Перетягування каната включає в себе дві команди на кінцях мотузки. Мета полягає в тому, щоб перетягнути іншу команду за лінію посередині. Спочатку спостерігається велика напруга на мотузці, але видимого руху немає. Спостерігач може подумати, що нічого не відбувається. Насправді, існує велика напруга на мотузці, оскільки дві команди одночасно тягнуться в протилежних напрямках.

Хімічна рівновага

Водень і йодові гази реагують з утворенням йодистого водню відповідно до наступної реакції:

$\ce{H_2} \left( g \right) + \ce{I_2} \left( g \right) \rightleftharpoons 2 \ce{HI} \left( g \right)\nonumber$

$\text{Forward reaction:} \: \: \: \ce{H_2} \left( g \right) + \ce{I_2} \left( g \right) \rightarrow 2 \ce{HI} \left( g \right)\nonumber$

$\text{Reverse reaction:} \: \: \: 2 \ce{HI} \left( g \right) \rightarrow \ce{H_2} \left( g \right) + \ce{I_2} \left( g \right)\nonumber$

Спочатку відбувається лише пряма реакція, оскільки $\ce{HI}$ немає. Як тільки якась $\ce{HI}$ утворилася, вона починає розкладатися назад на $\ce{H_2}$ і $\ce{I_2}$ . Поступово швидкість прямої реакції зменшується, при цьому швидкість зворотної реакції збільшується. Зрештою, швидкість поєднання $\ce{H_2}$ і $\ce{I_2}$ вироблення $\ce{HI}$ стає рівною швидкості розкладання $\ce{HI}$ на $\ce{H_2}$ і $\ce{I_2}$ . Коли швидкості прямої і зворотної реакцій стали рівними один одному, реакція досягла стану рівноваги. Хімічна рівновага - це стан системи, при якій швидкість прямої реакції дорівнює швидкості зворотної реакції.

Малюнок $\PageIndex{1}$ : Рівновага в реакції: $\ce{H_2} \left( g \right) + \ce{I_2} \left( g \right) \rightleftharpoons 2 \ce{HI} \left( g \right)$ .

Хімічна рівновага може бути досягнута незалежно від того, чи починається реакція з усіма реагентами і без продуктів, всіх продуктів і без реагентів, або з деякими з обох. На малюнку нижче показані зміни концентрації $\ce{H_2}$ $\ce{I_2}$ , і $\ce{HI}$ для двох різних реакцій. У реакції, зображеної графіком зліва (А), реакція починається з тільки $\ce{H_2}$ і $\ce{I_2}$ присутній. $\ce{HI}$ Спочатку немає. У міру протікання реакції до рівноваги концентрації $\ce{H_2}$ і $\ce{I_2}$ поступово зменшуються, в той час як концентрація $\ce{HI}$ поступово збільшується. Коли крива вирівнюється, а концентрації стають постійними, рівновага була досягнута. При рівновазі концентрації всіх речовин постійні. У реакції В процес починається тільки $\ce{HI}$ і ні $\ce{H_2}$ або $\ce{I_2}$ . При цьому концентрація $\ce{HI}$ поступово знижується при цьому концентрації $\ce{H_2}$ і $\ce{I_2}$ поступово збільшуються до тих пір, поки знову не буде досягнуто рівноваги. Зверніть увагу, що в обох випадках відносне положення рівноваги однакове, про що свідчать відносні концентрації реагентів і продуктів. Концентрація $\ce{HI}$ при рівновазі значно перевищує концентрації $\ce{H_2}$ і $\ce{I_2}$ . Це вірно, почалася реакція з усіма реагентами або з усіма продуктами. Положення рівноваги є властивістю конкретної оборотної реакції і не залежить від того, яким чином була досягнута рівновага.

Малюнок $\PageIndex{2}$ : Рівновага між реагентами і продуктами.

Умови рівноваги

Може бути спокусливо думати, що після досягнення рівноваги реакція припиняється. Хімічна рівновага - це динамічний процес. Пряма і зворотна реакції продовжують відбуватися навіть після досягнення рівноваги. Однак, оскільки швидкості реакцій однакові, немає зміни відносних концентрацій реагентів і продуктів для реакції, яка знаходиться в рівновазі. Умови та властивості системи в рівновазі підсумовуються нижче.

Система повинна бути закрита, тобто жодні речовини не можуть потрапляти або виходити з системи.
Рівновага - це динамічний процес. Незважаючи на те, що ми не обов'язково бачимо реакції, відбувається як пряма, так і зворотна реакції.
Швидкості прямої і зворотної реакцій повинні бути рівними.
Кількість реагентів і продуктів не обов'язково має бути рівним. Однак після досягнення рівноваги кількість реагентів і продуктів буде постійною.

Опис рівноваги в цьому понятті відноситься перш за все до рівноваги між реагентами і продуктами в хімічній реакції. Інші типи рівноваги включають фазову рівновагу і рівновагу рішення. Фазова рівновага виникає, коли речовина знаходиться в рівновазі між двома станами. Наприклад, закупорена колба води досягає рівноваги, коли швидкість випаровування дорівнює швидкості конденсації. Рівновага розчину виникає, коли тверда речовина знаходиться в насиченому розчині. У цей момент швидкість розчинення дорівнює швидкості перекристалізації. Хоча це все різні типи перетворень, більшість правил щодо рівноваги застосовуються до будь-якої ситуації, в якій процес відбувається оборотно.

Резюме

Хімічна рівновага - це стан системи, при якій швидкість прямої реакції дорівнює швидкості зворотної реакції.
Перераховані умови хімічної рівноваги.
Фазова рівновага виникає, коли речовина знаходиться в рівновазі між двома станами.
Рівновага розчину виникає, коли тверда речовина знаходиться в насиченому розчині.