Обратимость химических реакций и химическое равновесие. Принцип Ле Шателье
Обратимость химических реакций и химическое равновесие. Принцип Ле Шателье
По признаку обратимости все химические реакции делятся на:
• Необратимые — протекают только в одном направлении до полного израсходования одного из реагентов (с образованием осадка, газа или прочного малодиссоциирующего вещества: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl);
• Обратимые — протекают одновременно в двух противоположных направлениях: прямом (слева направо) и обратном (справа налево): N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ + Q.
Химическое равновесие — это динамическое состояние химической системы, при котором скорость прямой реакции становится в точности равной скорости обратной реакции: vпр = vобр.
В состоянии равновесия концентрации всех веществ (как реагентов, так и продуктов) остаются строго постоянными во времени, хотя превращения на микроуровне непрерывно продолжаются.
Схема: Химическое равновесие и принцип Ле Шателье
Химическое равновесие
Константа равновесия Kc
Равновесие динамично
Равновесие не означает прекращения реакций! Это подвижный баланс: сколько молекул NH₃ образуется в секунду, ровно столько же распадается.
Запись уравнения равновесия
Составление дроби Kc
Учет фазового состава
В 1884 году французский ученый Анри Ле Шателье сформулировал фундаментальный принцип подвижного равновесия:
«Если на систему, находящуюся в состоянии устойчивого химического равновесия, оказать внешнее воздействие (изменить концентрацию, температуру или давление), то равновесие сместится в том направлении, которое ослабляет это внешнее воздействие».
Правила смещения химического равновесия:
1. Влияние концентрации:
• Добавление исходного вещества или удаление продукта смещает равновесие ВПРАВО (в сторону прямой реакции);
• Добавление продукта или удаление исходного вещества смещает равновесие ВЛЕВО.
2. Влияние температуры:
• При нагревании (повышении T) равновесие смещается в сторону ЭНДОТЕРМИЧЕСКОЙ реакции (-Q);
• При охлаждении (понижении T) равновесие смещается в сторону ЭКЗОТЕРМИЧЕСКОЙ реакции (+Q).
3. Влияние давления (только для систем с участием газов!):
• При повышении давления (сжатии) равновесие смещается в сторону МЕНЬШЕГО числа молей газов (меньшего объема);
• При понижении давления — в сторону БОЛЬШЕГО числа молей газов;
• Если число молей газов слева и справа одинаково (например, H₂ + I₂ ⇄ 2HI: 2 моль = 2 моль), изменение давления НЕ ВЛИЯЕТ на положение равновесия!
Принцип Ле Шателье
Давление в равновесии
Катализатор не смещает равновесие!
Катализатор в равной степени ускоряет как прямую, так и обратную реакции. Он лишь сокращает время достижения равновесия, но состав смеси не меняет!
Подсчет объемов газов
Анализ знака тепла Q
Вывод о направлении
Наглядными модельными системами для изучения химического равновесия являются:
1. Газовое равновесие оксидов азота:
2NO₂(г) (бурый газ) ⇄ N₂O₄(г) (бесцветный газ) + 57 кДж.
• При охлаждении ампулы в ледяной воде бурая окраска исчезает (равновесие смещается вправо, к экзотермическому бесцветному N₂O₄);
• При нагревании ампулы в горячей воде окраска становится темно-коричневой (равновесие смещается влево, к эндотермическому бурому NO₂);
• При сжатии шприца объем уменьшается (давление растет), и газ обесцвечивается (смещение от 2 моль к 1 моль).
2. Ионное равновесие образования роданида железа(III):
Fe³⁺ + 3SCN⁻ ⇄ Fe(SCN)₃ (кроваво-красный комплекс).
• Добавление FeCl₃ или KSCN резко усиливает кроваво-красный цвет;
• Связывание ионов Fe³⁺ добавлением фторида NaF обесцвечивает раствор (смещение влево).
Система NO₂ / N₂O₄
Роданидный комплекс железа
Промышленный оптимум
В синтезе аммиака используют компромиссные условия: 450 °C (для скорости с катализатором Fe) и 30 МПа (для высокого выхода NH₃).
Регистрация начального цвета
Применение воздействия
Интерпретация смещения
Пошаговый анализ равновесной газовой системы:
Подсчет объемов (молей) газов слева и справа
Оценка влияния давления P
Оценка влияния температуры T
Учет катализатора
Типовые уловки ЕНТ:
1. Реакция разложения известняка: CaCO₃(тв) ⇄ CaO(тв) + CO₂(г) - Q.
Вопрос: «Как сместится равновесие при увеличении давления?»
Ученики считают: слева 1 моль, справа 2 моль (CaO + CO₂).
Ошибка! CaCO₃ и CaO — ТВЕРДЫЕ вещества, их объемом пренебрегают! Слева 0 моль газа, справа 1 моль газа CO₂. При росте давления равновесие смещается ВЛЕВО (← в сторону меньшего объема газа)!
2. Катализатор:
Вопрос: «Как сместить равновесие вправо в реакции синтеза аммиака?»
Вариант «добавить железный катализатор» — ЛОВУШКА! Катализатор НЕ смещает равновесие!
Катализатор и твердые фазы на ЕНТ
Катализатор НЕ смещает равновесие ни на миллиметр! Твердые и жидкие вещества не участвуют в расчете изменения давления!
- 1. Обратимые реакции и состояние химического равновесия~5 мин
- 2. Принцип Ле Шателье — Брауна~5 мин
- 3. Равновесие в растворах: димеризация NO₂ и роданидные комплексы железа~5 мин
- 4. Алгоритм прогнозирования смещения химического равновесия (принцип Ле Шателье)~5 мин
- 5. Ловушки ЕНТ: Твердые вещества при изменении давления и роль катализатора~5 мин
