Химическое равновесие
Химическое равновесие устанавливается в обратимой реакции, когда скорости прямого и обратного процессов становятся равными. При этом реакция не прекращается: вещества продолжают превращаться, но их концентрации в замкнутой системе остаются постоянными.
Обратимые реакции и равновесие
Скорость химической реакции показывает, как быстро изменяется количество или концентрация вещества. Некоторые реакции идут только практически в одном направлении, например горение при обычных условиях. Другие реакции могут протекать в обоих направлениях: продукты снова превращаются в исходные вещества. Такие реакции называют обратимыми.
Обратимая реакция — химическая реакция, которая при одних и тех же условиях может идти как в прямом, так и в обратном направлениях. Её обозначают знаком ⇄ или двумя противоположными стрелками.
В начале реакции исходных веществ много, поэтому скорость прямого процесса велика. Продуктов ещё мало, и обратный процесс идёт медленно. По мере накопления продуктов скорость прямой реакции уменьшается, а скорость обратной возрастает. Через некоторое время скорости сравниваются.
Химическое равновесие — состояние обратимой реакции в замкнутой системе, при котором скорости прямого и обратного процессов равны, а концентрации всех участников реакции остаются постоянными.
Равновесие называют динамическим: обе реакции продолжаются одновременно, но за один и тот же промежуток времени образуется столько же частиц продуктов, сколько расходуется в обратном процессе. Поэтому макроскопические свойства системы не меняются.
Признаки и условия равновесия
Равновесие устанавливается только в замкнутой системе или в системе, где обмен веществами с окружающей средой не влияет на состав. Температура и давление должны оставаться постоянными, если их изменение не рассматривается отдельно. Для данной реакции и заданных условий равновесные концентрации имеют определённые значения.
- скорости прямой и обратной реакций равны
- концентрации веществ постоянны во времени
- макроскопические свойства системы не изменяются
- прямая и обратная реакции продолжаются одновременно
- равновесие возможно только для обратимой реакции
Постоянство концентраций не означает равенство концентраций разных веществ и не означает прекращение реакции. В равновесии равны именно скорости прямого и обратного процессов.
Что происходит с реакцией после установления химического равновесия?
Как устанавливается равновесие
Рассмотрим реакцию образования йодоводорода: \(H_2 + I_2 ⇄ 2HI\). Если начать только с водорода и йода, сначала заметна преимущественно прямая реакция. Концентрация \(HI\) растёт, а концентрации \(H_2\) и \(I_2\) уменьшаются. Поэтому скорость прямой реакции снижается, а скорость обратной реакции увеличивается.
В сосуде протекает реакция \(H_2 + I_2 ⇄ 2HI\). В начальный момент концентрации: \([H_2]=1\) моль/л, \([I_2]=1\) моль/л, \([HI]=0\). К моменту равновесия прореагировало \(0{,}4\) моль/л водорода. Найдём равновесные концентрации.
Показать Шешім Шешім
По уравнению реакции на 1 моль \(H_2\) расходуется 1 моль \(I_2\) и образуется 2 моль \(HI\).
| Вещество | Начальная концентрация, моль/л | Изменение | Равновесная концентрация, моль/л |
|---|---|---|---|
| \(H_2\) | 1 | −0,4 | 0,6 |
| \(I_2\) | 1 | −0,4 | 0,6 |
| \(HI\) | 0 | +0,8 | 0,8 |
Жауабы: \([H_2]=0{,}6\) моль/л, \([I_2]=0{,}6\) моль/л, \([HI]=0{,}8\) моль/л. Это расчёт равновесных концентраций; сам факт равновесия означает равенство скоростей, а не равенство этих трёх чисел.
Равновесие и внешние воздействия
Если изменить условия, равновесная система нарушается. Затем реакции продолжаются с разными скоростями до установления нового состояния. Направление такого изменения описывает принцип Ле Шателье. Практические случаи рассмотрены на странице смещение химического равновесия.
- увеличение концентрации исходного вещества обычно усиливает прямой процесс
- увеличение концентрации продукта обычно усиливает обратный процесс
- повышение давления в газовой системе смещает равновесие в сторону меньшего числа молекул газа
- катализатор ускоряет достижение равновесия, но не изменяет его положение
- изменение температуры может изменить положение равновесия
Для количественного описания состава используют константу химического равновесия. Способ жазбалар зависит от типа системы: однородное равновесие рассматривают для веществ в одной фазе, а гетерогенное равновесие — для веществ в разных фазах. Выражение константы подробно разбирается на странице выражение константы равновесия.
Изменение состава можно оценивать через равновесные концентрации, а долю распавшегося вещества — через степень диссоциации в равновесии. Количество полученного продукта связано с понятием равновесный выход продукта.
Катализатор одинаково изменяет скорости прямой и обратной реакций. Поэтому новое равновесие не устанавливается в другом положении: система просто быстрее достигает того же равновесного состояния. Подробнее: влияние катализатора на равновесие.
Как решать тапсырмалар о равновесии
- Проверьте, является ли реакция обратимой и указаны ли оба направления.
- Определите, что сравнивается: скорости, концентрации, давление, температура или выход.
- Помните: в равновесии равны скорости, а не обязательно концентрации.
- При расчёте концентраций используйте коэффициенты уравнения реакции.
- Если изменено условие, определите, какой процесс ослабляет это изменение.
Нельзя считать, что равновесие обязательно означает равное количество исходных веществ и продуктов. Также нельзя утверждать, что добавление катализатора смещает равновесие: он влияет только на время его установления.
Быстрая проверка
Главное
- Обратимая реакция протекает в прямом и обратном направлениях.
- Химическое равновесие — динамическое состояние, в котором \(v_{\text{прям}}=v_{\text{обр}}\).
- В равновесии концентрации постоянны, но обычно не равны между собой; реакции продолжаются.
- Изменение концентрации, давления или температуры вызывает переход к новому равновесию.
- Катализатор ускоряет установление равновесия, но не смещает его.