8.2: Хімічна рівновага

Last updated
Save as PDF

Page ID: 23149

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

Результати навчання

Поясніть хімічну рівновагу.
Напишіть вираз для обчислення\(K\).
Обчислити і порівняти значення Q і K.
Прогнозуйте відносні кількості реагентів і продуктів на основі постійної рівноваги\(K\).

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

\[\ce{H_2} \left( g \right) + \ce{I_2} \left( g \right) \rightleftharpoons 2 \ce{HI} \left( g \right)\]

\[\begin{align} &\text{Forward reaction:} \: \: \ce{H_2} \left( g \right) + \ce{I_2} \left( g \right) \rightarrow 2 \ce{HI} \left( g \right) \\ &\text{Reverse reaction:} \: \: 2 \ce{HI} \left( g \right) \rightarrow \ce{H_2} \left( g \right) + \ce{I_2} \left( g \right) \end{align}\]

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. Врешті-решт швидкість комбінації\(\ce{H_2}\) і\(\ce{I_2}\) виробляти\(\ce{HI}\) 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.

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.

Умови рівноваги і типи 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, як вперед, так і назад відбуваються.
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.

Червоні кров'яні клітини транспортують кисень до тканин, щоб вони могли функціонувати. При відсутності кисню клітини не можуть виконувати свої біохімічні обов'язки. Кисень рухається до клітин, прикріплених до гемоглобіну, білку, що міститься в еритроцитах. У випадках отруєння чадним газом набагато сильніше\(\ce{CO}\) зв'язується з гемоглобіном, блокуючи приєднання кисню і знижуючи кількість кисню, що надходить до клітин. Лікування передбачає дихання пацієнта чистим киснем для витіснення чадного газу. Реакція рівноваги, показана нижче, ілюструє зсув вправо при додаванні надлишку кисню в систему:

\[\ce{Hb(CO)_4} \left( aq \right) + 4 \ce{O_2} \left( g \right) \rightleftharpoons \ce{Hb(O_2)_4} \left( aq \right) + 4 \ce{CO} \left( g \right)\]

Постійна рівноваги

Розглянемо гіпотетичну оборотну реакцію, при якій реагенти\(\ce{A}\) і\(\ce{B}\) реагують на утворення продуктів\(\ce{C}\) і\(\ce{D}\). Цю рівновагу можна показати нижче, де малі літери представляють коефіцієнти кожної речовини.

\[a \ce{A} + b \ce{B} \rightleftharpoons c \ce{C} + d \ce{D}\]

Як ми встановили, швидкості прямої і зворотної реакцій однакові при рівновазі, і тому концентрації всіх речовин постійні. Оскільки це так, то цілком зрозуміло, що співвідношення концентрації для будь-якої даної реакції при рівновазі підтримує постійне значення. Константа рівноваги\(\left( K_\text{eq} \right)\) - це відношення математичного добутку продуктів реакції до математичного добутку концентрацій реагентів реакції. Кожна концентрація підвищується до потужності свого коефіцієнта в збалансованому хімічному рівнянні. Для загальної реакції вище вираз постійної рівноваги пишеться наступним чином:

\[K_\text{eq} = \frac{\left[ \ce{C} \right]^c \left[ \ce{D} \right]^d}{\left[ \ce{A} \right]^a \left[ \ce{B} \right]^b}\]

Концентрації кожної речовини, зазначені квадратними дужками навколо формули, вимірюються в одиницях молярності\(\left( \text{mol/L} \right)\).

Значення константи рівноваги для будь-якої реакції визначається тільки експериментом. Як детально описано в наведеному вище розділі, положення рівноваги для даної реакції не залежить від початкових концентрацій, і тому значення константи рівноваги дійсно постійне. Це, однак, залежить від температури реакції. Це пов'язано з тим, що рівновага визначається як умова, що виникає внаслідок рівних швидкостей прямих і зворотних реакцій. Якщо температура змінюється, відповідна зміна цих швидкостей реакції змінить постійну рівноваги. Для будь-якої реакції, в якій\(K_\text{eq}\) задано а, температура повинна бути вказана.

Коли\(K_\text{eq}\) більше 1, чисельник більший за знаменник, тому продукти віддають перевагу, тобто концентрація його продуктів більша, ніж у реагентів.

Якщо\(K_\text{eq}\) менше 1, то реагенти віддають перевагу, оскільки знаменник (реагенти) більший, ніж чисельник (продукти).

Коли\(K_\text{eq}\) дорівнює 1, то концентрація реагентів і продуктів приблизно дорівнює.

Коефіцієнт реакції

Коефіцієнт реакції використовується при запитуванні\(Q\), якщо ми знаходимося в рівновазі. Розрахунок для точно\(Q\) такий же, як і для,\(K\) але ми можемо використовувати лише тоді,\(K\) коли знаємо, що знаходимося в рівновазі. Порівнюючи\(Q\) і\(K\) дозволяє передбачити напрямок реакції.

\(Q\)=\(K\) рівновага
\(Q\)<\(K\) реакція протікає вправо на формування більшої кількості продуктів і зменшення кількості реагентів, тому значення\(Q\) буде збільшуватися
\(Q\)>\(K\) реакція протікає вліво, щоб сформувати більше реагентів і зменшити кількість продуктів, тому значення\(Q\) буде зменшуватися