6.4: Кислотно-лужна рівновага

Last updated
Save as PDF

Page ID: 25528

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Більшість кислотно-лужних реакцій є рівноважними реакціями, тобто реагенти утворюють продукти, а продукти реагують на повторне утворення реагентів. Реакція показана подвійними стрілками, щоб вказати на те, що і пряма, і зворотна реакції відбуваються одночасно.

Попередня рівновага і рівновага

Спочатку присутні тільки реагенти. Концентрація реагентів зменшується з часом, коли вони перетворюються на продукти. Швидкість реакції пропорційна концентрації реагентів. Так, швидкість прямої реакції з часом зменшується. Продукти накопичуються з часом. Продукти вступають в реакцію один з одним для повторного утворення реагентів, тобто зворотної реакції. Швидкість зворотної реакції збільшується з плином часу в міру збільшення концентрації продуктів, поки швидкість зворотної реакції не стане рівною швидкості прямої реакції, як показано на рис. 6.4.1

На початку рівноваги, коли швидкість зворотної реакції повільніше швидкості прямої реакції, знаходиться передрівноважна фаза.
Фази рівноваги починаються в тій точці, коли швидкість зворотної реакції стає рівною швидкості прямої реакції

Проілюстровано зміни концентрації під час дорівноважної та рівноважної фаз реакції рівноваги. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): При попередній рівновазі реагують реагенти і їх концентрація, і, отже, швидкість прямої реакції з часом зменшується. Нарощування продуктів і зворотна реакція з часом збільшується. Коли швидкість прямої реакції стає рівною швидкості зворотної реакції, рівновага досягається і концентрація реагентів і продуктів не змінюється.

У точці, коли швидкість зворотної реакції стає рівною швидкості прямої реакції, досягла рівноваги. Концентрація реагентів і продуктів не змінюється при рівновазі, оскільки вони споживаються і повторно формуються з однаковою швидкістю — це динамічна рівновага.

Реакції рівноваги не обмежуються кислотно-лужними реакціями; вони поширені у всіх типах хімічних реакцій. Рис. 6.4.2 ілюструє концентрації і швидкості змін реакцій в дорівноважних і рівноважних фазах за допомогою фактичної хімічної рівноважної реакції між реакцією розкладання безбарвного газу N ₂ O ₄ і його зворотною реакцією, т. Е. коричневий колір газу NO ₂.

Показано встановлення хімічної рівноваги між безбарвним тетроксидом азоту та коричневим забарвленим діоксидом азоту. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Верхній ряд: герметична трубка, що містить безбарвний газ N ₂ O ₄ темніє в міру розкладання з отриманням коричневого газу NO ₂ в результаті реакції:\(\mathrm{N}_{2} \mathrm{O}_{4} \rightleftarrows 2 \mathrm{NO}_{2}\). Середній ряд: показує моделі молекул на часовій шкалі, позначеної пунктирними лініями на графіках. Нижній ряд: показує концентрацію проти часу (лівий графік); швидкість прямої реакції синьою кривою і швидкість зворотної реакції за червоною кривою (правий графік). Джерело: OpenStax/CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0)

Що відбувається при порушенні хімічної рівноваги?

Концентрація реагентів і продуктів не змінюється в суміші, коли реакція знаходиться в рівновазі, оскільки швидкість прямої реакції дорівнює швидкості зворотної реакції. Будь-яка зміна, зроблена при рівновазі, додає напругу рівновазі. Система рухається таким чином, щоб зняти стрес. Наприклад, якщо в суміш додати один з реагентів, швидкість прямої реакції збільшується, видаляючи доданий реагент, поки не встановиться нова рівновага, тобто система знімає напругу шляхом видалення доданого реагенту.

Принцип Ле Шательє

При порушенні хімічної рівноваги швидкості прямих і зворотних реакцій змінюються, щоб зняти напругу і відновити рівновагу.

Напруженнями можуть бути зміни концентрації, тиску або температури, як пояснюється в наступному розділі.

Вплив концентрації на хімічну рівновагу

Нижче наведені наслідки зміни концентрації на хімічній реакції при рівновазі.

Якщо додати реагент, реакція вперед збільшується для видалення реагенту.
Якщо реагент видаляється, пряма реакція зменшується; отже, зворотна реакція додає реагент.
Якщо додається продукт, то зворотна реакція посилюється на видалення продукту.
Якщо продукт видаляється, зворотна реакція зменшується; отже, пряма реакція додає продукт.

Рис. 6.4.3 ілюструє ефекти за допомогою рівня води в двох резервуарах, з'єднаних через трубопровід в лівому резервуарі, що представляє реагенти, і в правому резервуарі, що представляє продукти.

Ілюстрація принципу Ле Шательє за допомогою резервуарів для води. — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Ілюстрація принципу Ле Шательє з використанням двох резервуарів для води, з'єднаних через трубопровід; 1) при рівновазі швидкість прямої та зворотної реакцій рівні (найвища), 2) коли будь-який реагент збільшується швидкість реакції вперед (середній лівий), 3) коли будь-який продукт є збільшена швидкість зворотної реакції збільшується (посередині праворуч), 4) коли будь-який реагент зменшується швидкість реакції вперед зменшується (внизу зліва), і 5) коли будь-який продукт зменшується зворотна реакція зменшується (знизу праворуч)

На рис. 6.4.4 демонструється вплив зміни концентрації на хімічну рівновагу між бурими іонами біхромату та іонами жовтого хромату:

Розчин при рівновазі між іонами коричневого біхромату та жовтими хроматними іонами — Малюнок\(\PageIndex{4}\): Демонстрація впливу зміни концентрації на хімічну рівновагу:\(\mathrm{Cr}_{2} \mathrm{O}_{7}^{2-}(\mathrm{aq}, \text { brown })+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{I}) \rightleftarrows 2 \mathrm{CrO}_{4}^{2-}(\mathrm{aq} \text {, yellow })+2 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq})\). Додавання Н ⁺ до трубки зліва шляхом додавання HNO ₃ зміщує рівновагу вліво, роблячи більше коричневого Cr ₂ O ₇ ² ^- показано в середній трубці. Видалення H ⁺ шляхом додавання основи NaOH зсуву реакції вправо роблячи більше жовтого CrO ₄ ² ^- показано в правій самій трубці. Джерело: NCSSMВіддалений/CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)

Розчин при рівновазі між бурими іонами біхромату та іонами жовтого хромату порушується додаванням продукту, в результаті чого утворюється більш коричневий реагент. — Малюнок\(\PageIndex{4}\): Демонстрація впливу зміни концентрації на хімічну рівновагу:\(\mathrm{Cr}_{2} \mathrm{O}_{7}^{2-}(\mathrm{aq}, \text { brown })+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{I}) \rightleftarrows 2 \mathrm{CrO}_{4}^{2-}(\mathrm{aq} \text {, yellow })+2 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq})\). Додавання Н ⁺ до трубки зліва шляхом додавання HNO ₃ зміщує рівновагу вліво, роблячи більше коричневого Cr ₂ O ₇ ² ^- показано в середній трубці. Видалення H ⁺ шляхом додавання основи NaOH зсуву реакції вправо роблячи більше жовтого CrO ₄ ² ^- показано в правій самій трубці. Джерело: NCSSMВіддалений/CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)

\ begin {рівняння}
\ математика {Cr} _ {2}\ mathrm {O} _ {7} ^ {2-} (\ mathrm {aq},\ текст {коричневий}) +\ mathrm {H} _ {2}\ mathrm {O} (\ mathrm {I})\ правий лівий стрілки 2\ mathrm {CRo} _ {4} ^ {2-} (\ mathrm {aq}\ текст {, жовтий}) +2\ mathrm {H} ^ {+} (\ mathrm {aq})\ номер
\ кінець {рівняння}

Додавання кислоти в пробірку зліва збільшує Н ⁺ в системі, посилюючи зворотну реакцію, яку можна спостерігати по збільшенню коричневого кольору в середній пробірці. Потім додавання основи видаляє Н ⁺ з системи кислотно-лужною реакцією:\(\mathrm{H}^{+}+\mathrm{OH}^{-} \rightarrow \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}\). Зниження Н ⁺ зміщує рівновагу в сторону продукту, що можна спостерігати за збільшеним жовтим кольором в пробірці справа.

Практичним прикладом впливу концентрації на хімічну рівновагу є зв'язування кисню (O ₂) з гемоглобіном (Hb) в процесі дихання.

\ begin {рівняння}
\ математика {Hb} (\ mathrm {aq}) +\ mathrm {O} _ {2} (\ mathrm {~g})\ праволіві стрілки\ математика {bO} _ {2} (\ mathrm {aq})\ nonumber
\ end {рівняння}

Концентрація кисню вище в випадах, які зміщують рівновагу в сторону продукту, зв'язуючи більше кисню з гемоглобіном. Коли кров надходить в тканини, концентрація кисню в тканині нижча, змушуючи рівновагу зміщуватися в сторону реагенту, вивільняючи кисень.

Концентрація кисню зменшується зі збільшенням висоти. Гірські альпіністи можуть відчувати гіпоксію, тобто недостатнє надходження кисню в організм через те, що нижній рівень кисню на великій висоті може змістити рівновагу вправо, в результаті чого відбувається менша зв'язування кисню з гемоглобіном в легенях. Організм реагує виробленням більшої кількості гемоглобіну, але для того, щоб організм знову відрегулював рівень гемоглобіну в крові, потрібно близько 10 днів. У людей, що живуть на більших висотах, зазвичай підвищений рівень гемоглобіну в крові з причин, описаних вище.

Вплив тиску на хімічну рівновагу

Зміни тиску не впливають на концентрацію твердих речовин і рідини. Однак при збільшенні тиску зменшується обсяг, а, отже, збільшується концентрація газів, як показано на рис.6.4.5.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Ілюстрація підвищення тиску викликає зменшення обсягу і збільшення концентрації молекул газу. Джерело: Олів'є Клейнен/CC0

Якщо хімічна рівновага включає гази, збільшення тиску має такий же ефект, як збільшення газоподібного реагенту або продукту - рівновага зміщується в напрямку, де менше молів газів.

Рис. 6.4.6 продемонстрував цей ефект для рівноваги між безбарвним газом N ₂ O ₄ та газом коричневого кольору NO ₂:

\ begin {рівняння}
\ mathrm {N} _ {2}\ mathrm {O} _ {4} (\ mathrm {~g},\ текст {безбарвний})\ праволіві стрілки 2\ mathrm {NO} _ {2} (\ mathrm {~g},\ текст {коричневий})\ номер
\ кінець {рівняння}

Колір стає світлим у переході від шприца праворуч до шприца посередині. Його можна пояснити виходячи з того, що концентрація газів зменшувалася при збільшенні обсягу в результаті зниження тиску. Потім колір з часом стає темніше, як показано шприцом праворуч. Більш темний колір вказує на те, що рівновага змістилася в сторону продукту, де більше родимок газу, щоб зняти стрес.

Забарвлення тетраоксиду азоту менше в рівновазі з коричневим діоксидом азоту — Малюнок\(\PageIndex{6}\): Зниження тиску на рівновагу:\(\mathrm{N}_{2} \mathrm{O}_{4}(\mathrm{~g}, \text { colorless }) \rightleftarrows 2 \mathrm{NO}_{2}(\mathrm{~g}, \text { brown })\), Середній шприц → шприц справа, збільшує вперед реакцію на зняття стресу. Джерело: NCSSMВіддалений/CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)

Колір менше тетраоксиду азоту в рівновазі коричневий діоксид азоту- колір зменшувався внаслідок розведення в більшому обсязі при зниженні тиску. — Малюнок\(\PageIndex{6}\): Зниження тиску на рівновагу:\(\mathrm{N}_{2} \mathrm{O}_{4}(\mathrm{~g}, \text { colorless }) \rightleftarrows 2 \mathrm{NO}_{2}(\mathrm{~g}, \text { brown })\), Середній шприц → шприц справа, збільшує вперед реакцію на зняття стресу. Джерело: NCSSMВіддалений/CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)

Вплив температури на хімічну рівновагу

Екзотермічна реакція виділяє тепло, тобто тепло є одним з продуктів. Якщо пряма реакція екзотермічна, зворотна реакція повинна бути ендотермічної на ту ж величину і навпаки.

Коли оборотна реакція при рівновазі порушується підвищенням температури, рівновага зміщується в ендотермічному напрямку реакції на видалення тепла і навпаки.

У рівновазі між безбарвними N ₂ O ₄ і газами коричневого кольору NO ₂ реакція ендотермічна в прямому напрямку:

\ begin {рівняння}
\ mathrm {N} _ {2}\ mathrm {O} _ {4} (g,\ текст {безбарвний}) +\ текст {тепло}\ праволіві стрілки 2\ mathrm {NO} _ {2} (g,\ текст {коричневий})\ nonumber
\ end {рівняння}

Підвищення температури зміщує рівновагу в ендотермічному напрямку для зняття напруги, як продемонстровано на рис.6.4.7.

Підвищення температури зміщує рівновагу в ендотермічному напрямку, виробляючи більше забарвленого діоксиду азоту в рівновазі з безбарвним тетраоксидом азоту. — Малюнок\(\PageIndex{7}\): Збільшення температури зміщує рівновагу в ендотермічному напрямку, виробляючи більше кольорового NO ₂ в наступному рівновазі:\(\mathrm{N}_{2} \mathrm{O}_{4}(g, \text { colorless })+\text { Heat } \rightleftarrows 2 \mathrm{NO}_{2}(g, \text { brown })\). Накладка того ж 99,9% чистого NO ₂ /N ₂ O ₄ запечатана в ампулі. Зліва направо -196 °C, 0 °C, 23 °C, 35 °C, 50 °C Джерело: Ефрамгольдберг/CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)