13.1: Хімічні рівноваги

Last updated

Oct 25, 2022
Save as PDF
- 13.0: Прелюдія до рівноваги
- 13.2: Константи рівноваги

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Цілі навчання

Опишіть природу систем рівноваги
Поясніть динамічну природу хімічної рівноваги

Хімічна реакція зазвичай пишеться таким чином, який передбачає, що вона протікає в одному напрямку, напрямку, в якому ми читаємо, але всі хімічні реакції оборотні, і пряма і зворотна реакції відбуваються в тій чи іншій мірі залежно від умов. У хімічній рівновазі пряма і зворотна реакції відбуваються з однаковою швидкістю, а концентрації продуктів і реагентів залишаються постійними. Якщо ми запускаємо реакцію в закритій системі, щоб продукти не могли вийти, ми часто виявляємо, що реакція не дає 100% виходу продуктів. Натомість деякі реагенти залишаються після того, як концентрації припиняють змінюватися. У цей момент, коли немає подальшої зміни концентрацій реагентів і продуктів, ми говоримо, що реакція знаходиться в рівновазі. Суміш реагентів і продуктів знаходиться в рівновазі.

Наприклад, коли ми поміщаємо зразок тетроксиду азоту ( $N_2O_4$ безбарвного газу) у скляну трубку, він утворює діоксид азоту ( $\ce{NO2}$ коричневий газ) шляхом реакції

$\ce{ N2O4(g) \rightleftharpoons 2NO2(g)} \label{13.2.1}$

Колір стає темнішим, коли $\ce{N2O4}$ перетворюється на $\ce{NO2}$ . Коли система досягає рівноваги, обидва $\ce{N2O4}$ і $\ce{NO2}$ присутні (рис. $\PageIndex{1}$ ).

Малюнок $\PageIndex{1}$ : Суміш $\ce{NO2}$ і $\ce{N2O4}$ рухається до рівноваги. Безбарвний $\ce{N2O4}$ реагує на утворення коричневого кольору $\ce{NO2}$ . У міру протікання реакції в бік рівноваги колір суміші темніє за рахунок зростаючої концентрації $\ce{NO2}$ .

Освіта $\ce{NO2}$ від $\ce{N2O4}$ - оборотна реакція, яка ідентифікується стрілкою рівноваги ( $\rightleftharpoons$ ). Всі реакції оборотні, але багато реакцій, для всіх практичних цілей, протікають в одному напрямку, поки реагенти не будуть вичерпані і будуть зворотними лише за певних умов. Такі реакції часто зображують односторонньою стрілкою від реагентів до продуктів. Багато інших реакцій, таких як утворення $\ce{NO2}$ з $\ce{N2O4}$ , є оборотними в більш легкодоступних умовах і, отже, називаються такими. У оборотній реакції реагенти можуть поєднуватися, утворюючи продукти, і продукти можуть реагувати з утворенням реагентів. Таким чином, не тільки може $\ce{N2O4}$ розкладатися до форми $\ce{NO2}$ , але і $\ce{NO2}$ вироблене може реагувати на форму $\ce{N2O4}$ . Як тільки пряма реакція виробляє будь-яку $\ce{NO2}$ , починається зворотна реакція і $\ce{NO2}$ починає реагувати на форму $\ce{N2O4}$ . При рівновазі концентрації $\ce{N2O4}$ і $\ce{NO2}$ більше не змінюються, оскільки швидкість утворення в точності $\ce{NO2}$ дорівнює нормі споживання $\ce{NO2}$ , а швидкість утворення в точності $\ce{N2O4}$ дорівнює нормі споживання $\ce{N2O4}$ . Хімічна рівновага - це динамічний процес: Як і у плавців і любителів засмаги, числа кожного залишаються постійними, але між ними існує потік вперед і назад (рис. $\PageIndex{2}$ ).

Двом людям показано, що кидають жонглювання шпильками вперед і назад один до одного. — Малюнок $\PageIndex{2}$ : Ці жонглери дають ілюстрацію динамічної рівноваги. Кожен кидає клуби іншому з тією ж швидкістю, з якою він отримує клуби від цієї людини. Оскільки клуби кидаються безперервно в обох напрямках, кількість клубів, що рухаються в кожному напрямку, постійна, а кількість клубів, які кожен жонглер має в даний час, залишається (приблизно) постійною.

У хімічній рівновазі пряма і зворотна реакції не припиняються, скоріше вони продовжують відбуватися з однаковою швидкістю, що призводить до постійних концентрацій реагентів і продуктів. Графіки, що показують, як змінюються швидкості реакції та концентрації щодо часу, показані на малюнку $\PageIndex{1}$ .

Ми можемо виявити стан рівноваги, оскільки концентрації реагентів та продуктів, здається, не змінюються. Однак важливо, щоб ми переконалися, що відсутність змін обумовлена рівновагою, а не швидкістю реакції, яка настільки повільна, що зміни концентрації важко виявити.

Використовуємо подвійну стрілку при написанні рівняння для оборотної реакції. Така реакція може бути, а може і не бути в рівновазі. Наприклад, на малюнку $\PageIndex{1}$ показана реакція:

$\ce{N2O4(g) \rightleftharpoons 2NO2(g)} \label{13.2.2}$

Коли ми хочемо говорити про один конкретний компонент оборотної реакції, ми використовуємо єдину стрілку. Наприклад, в рівновазі, показаному на малюнку $\PageIndex{1}$ , швидкість прямої реакції

$\ce{2NO2(g) \rightarrow N2O4(g)} \label{13.2.3}$

дорівнює швидкості зворотної реакції

$\ce{N2O4(g) \rightarrow 2NO2(g)} \label{13.2.4}$

Рівновага і безалкогольні

Зв'язок між хімією та газованими безалкогольними напоями сягає 1767 року, коли Джозеф Прістлі (1733—1804; в основному відомий сьогодні своєю роллю у відкритті та ідентифікації кисню) відкрив метод вливання води вуглекислим газованим газованим газованим газом. У 1772 році священик опублікував статтю під назвою «Просочення води нерухомим повітрям». У роботі описано капання олії купоросу (сьогодні ми називаємо цю сірчану кислоту, але який відмінний спосіб описати сірчану кислоту: «масло купоросу» буквально означає «рідка гидота») на крейда (карбонат кальцію). Отриманий $CO_2$ потрапляє в ємність з водою під посудиною, в якій відбувається початкова реакція; перемішування допомагає газоподібної $CO_2$ суміші в рідку воду.

$\ce{H2SO4(l) + CaCO3(s) \rightarrow CO2(g) + H2O (l) + CaSO4 (aq)} \nonumber$

Вуглекислий газ мало розчинний у воді. Існує реакція рівноваги, яка відбувається, коли вуглекислий газ реагує з водою з утворенням вугільної кислоти ( $H_2CO_3$ ). Оскільки вугільна кислота є слабкою кислотою, вона може дисоціювати на протони ( $H^+$ ) і іони гідрокарбонату ( $HCO_3^−$ ).

$\ce{ CO2 (aq) + H2O(l) \rightleftharpoons H2CO3 (aq) \rightleftharpoons HCO3^{-} (aq) + H^{+} (aq)} \nonumber$

Сьогодні $\ce{CO_2}$ можна нагнітати під тиском безалкогольні напої, встановивши рівновагу, показану вище. Однак, як тільки ви відкриєте ємність для напою, відбувається каскад зсувів рівноваги. По-перше, $\ce{CO_2}$ газ у повітряному просторі зверху пляшки виходить, викликаючи зміщення рівноваги між газовою фазою $\ce{CO_2}$ та розчиненою або $\ce{CO_2}$ водною водою, знижуючи концентрацію $\ce{CO_2}$ в безалкогольному напої. Менше $\ce{CO_2}$ розчинена в рідині призводить до розкладання вугільної кислоти до розчиненої $\ce{CO_2}$ і Н ₂ О. Знижена концентрація вугільної кислоти викликає зсув остаточного рівноваги. Поки безалкогольний напій знаходиться у відкритій ємності, $\ce{CO_2}$ бульбашки піднімаються з напою, випускаючи газ в повітря (рис. $\PageIndex{3}$ ). З кришкою від пляшки $\ce{CO_2}$ реакції більше не знаходяться в рівновазі і триватимуть до тих пір, поки не залишиться більше реагентів. В результаті виходить безалкогольний напій зі значно зниженою $\ce{CO_2}$ концентрацією, який часто називають «плоским».

Малюнок $\PageIndex{3}$ : При відкритті безалкогольного напою відбувається кілька зрушень рівноваги. (кредит: модифікація роботи «D Coetzee» /Flickr)

Сублімація брому

Розглянемо випаровування брому як другий приклад системи при рівновазі.

$\ce{Br2(l) \rightleftharpoons Br2(g)} \nonumber$

Рівновага може бути встановлена для фізичної зміни - як цей перехід рідини до газу, а також для хімічної реакції. $\PageIndex{4}$ На малюнку показана проба рідкого брому при рівновазі з парами брому в закритій ємності. Коли ми наливаємо рідкий бром в порожню пляшку, в якій немає парів брому, частина рідини випаровується, кількість рідини зменшується, а кількість парів збільшується. Якщо ми закриваємо пляшку, щоб пар не виходив, кількість рідини та пари з часом перестане змінюватися, і буде встановлено рівновагу між рідиною та парою. Якби пляшка не була закрита, пари брому втекли б і ніякої рівноваги не було б досягнуто.

Рисунок $\PageIndex{4}$ : Рівновага зображена між рідким бромом, Br ₂ (l), темною рідиною та парами брому, Br ₂ (g), помаранчевим газом. Оскільки ємність герметична, пари брому не можуть виходити і підтримується рівновага. (Кредит: Бром [images-of-elements.com]).

Резюме

Реакція знаходиться в рівновазі, коли кількість реагентів або продуктів більше не змінюється. Хімічна рівновага - це динамічний процес, тобто швидкість утворення продуктів шляхом прямої реакції дорівнює швидкості, з якою продукти повторно утворюють реагенти зворотною реакцією.

Глосарій

рівноваги: в хімічних реакціях стан, при якому перетворення реагентів в продукти і перетворення продуктів назад в реагенти відбуваються одночасно з однаковою швидкістю; стан рівноваги

оборотна реакція: хімічна реакція, яка може протікати як в прямому, так і в зворотному напрямку при заданих умовах