Химическое равновесие

Что такое химическое равновесие

Обратимыми называют реакции, которые при данных условиях идут одновременно в прямом и обратном направлениях. В отличие от необратимых реакций, они не доходят до полного превращения реагентов. Когда скорость прямой реакции становится равной скорости обратной, наступает химическое равновесие. При этом концентрации всех веществ перестают изменяться со временем.

Равновесие называют динамическим: внешне система кажется неизменной, но прямой и обратный процессы продолжают идти с одинаковой скоростью. Поэтому количество продуктов и реагентов остаётся постоянным, хотя реакция на молекулярном уровне не прекращается.

Константа равновесия

Состояние равновесия количественно описывают константой равновесия K — отношением произведения концентраций продуктов к произведению концентраций исходных веществ, каждая из которых возведена в степень своего коэффициента. Рассмотрим промышленный синтез аммиака:

N2 + 3H2 <=> 2NH3 + Q

Чем больше значение K, тем сильнее равновесие смещено в сторону продуктов. Константа равновесия зависит только от температуры и не меняется при изменении концентраций или введении катализатора.

Принцип Ле Шателье

Положение равновесия можно сместить внешним воздействием. Это описывает принцип Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказать внешнее воздействие, то равновесие смещается в ту сторону, которая ослабляет это воздействие. Рассмотрим основные случаи.

Например, в синтезе аммиака прямая реакция идёт с уменьшением числа молей газа и выделением теплоты, поэтому высокое давление и пониженная температура смещают равновесие в сторону аммиака. На практике приходится искать компромисс между выходом продукта и приемлемой скоростью.

Правило: катализатор одинаково ускоряет прямую и обратную реакции, поэтому он лишь быстрее приводит систему к равновесию, но не меняет его положение и не увеличивает выход продукта.

Условия смещения на практике

Принцип Ле Шателье позволяет осознанно подбирать условия промышленных процессов. Если прямая реакция экзотермическая, то понижение температуры увеличивает выход продукта, но одновременно замедляет реакцию, поэтому инженеры ищут компромисс. Если в реакции участвуют газы и число их молей в продуктах меньше, то повышение давления смещает равновесие к продуктам.

Состояние равновесия не зависит от того, с какой стороны к нему подошли — со стороны реагентов или продуктов. При неизменных условиях система всегда приходит к одному и тому же набору равновесных концентраций, что и отражает постоянство константы равновесия при данной температуре.

Кратко о главном

• Обратимые реакции идут одновременно в обе стороны.
• Равновесие — это равенство скоростей прямой и обратной реакций.
• Константа равновесия показывает соотношение продуктов и реагентов.
• Принцип Ле Шателье предсказывает смещение равновесия при внешних воздействиях.
• Катализатор ускоряет наступление равновесия, но не сдвигает его.