Равновесные концентрации

Равновесные концентрации — это концентрации веществ, которые устанавливаются в системе после того, как скорости прямой и обратной реакций становятся равными. Чтобы определить состав равновесной смеси, используют стехиометрию уравнения реакции, начальные концентрации и константу химического равновесия.

Что называют равновесными концентрациями

Рассмотрим обратимую реакцию общего вида \(aA+bB\rightleftharpoons cC+dD\). До начала реакции известны начальные концентрации веществ: \([A]_0\), \([B]_0\), \([C]_0\) и \([D]_0\). В ходе реакции концентрации исходных веществ обычно уменьшаются, а продуктов — увеличиваются. После установления химического равновесия концентрации перестают изменяться со временем, хотя на частицах продолжаются прямая и обратная реакции.

Поэтому равновесный состав удобно записывать в таблице. Сначала указывают начальные концентрации, затем изменения со знаками «минус» для расходуемых веществ и «плюс» для образующихся, а в последней строке получают равновесные концентрации.

Основная схема расчёта

Для реакции \(aA+bB\rightleftharpoons cC+dD\) расчёт выполняют в определённом порядке.

1. Записать и уравнять обратимую реакцию.
2. Выписать начальные концентрации всех веществ, участвующих в выражении константы равновесия.
3. Ввести неизвестное изменение \(x\).
4. Составить равновесные концентрации с учётом коэффициентов уравнения.
5. Подставить их в выражение для \(K_c\).
6. Решить уравнение и выбрать физически допустимое значение \(x\).
7. Проверить, что ни одна концентрация не стала отрицательной.

Для веществ, отсутствовавших в начале, начальная концентрация равна нулю. Например, если \([C]_0=0\), то \([C]_{eq}=c x\). Если реакция в данных условиях преимущественно идёт в обратном направлении, знаки можно определить по фактическому направлению изменения или выбрать переменную как степень протекания обратной реакции.

Связь с константой равновесия

После составления равновесных концентраций используют выражение для константы равновесия. Для реакции \(aA+bB\rightleftharpoons cC+dD\) в разбавленных растворах или газовой смеси применяют концентрационную форму.

Чистые твёрдые вещества и чистые жидкости в выражение \(K_c\) обычно не включают: их активность считается постоянной. В заданиях на равновесные концентрации чаще всего требуется найти неизвестное \(x\), а затем концентрации всех веществ. Само значение \(K_c\) не показывает напрямую концентрации: оно задаёт их соотношение в равновесном состоянии.

Разобранный пример

Ответ: \([\mathrm{H_2}]_{eq}=0{,}5\) моль/л, \([\mathrm{I_2}]_{eq}=0{,}5\) моль/л, \([\mathrm{HI}]_{eq}=1{,}0\) моль/л. Проверка: \(K_c=1^2/(0{,}5\cdot0{,}5)=4\), значит расчёт согласуется с условием.

Физический смысл и проверка ответа

Переменная \(x\) не может быть отрицательной, если реакция рассматривается в прямом направлении. Кроме того, нельзя израсходовать больше вещества, чем было в начале. Для примера выше \(0\le x\le1\). Если начальные концентрации различаются, ограничение задаёт вещество, для которого отношение \([A]_0/a\) меньше.

Иногда при решении квадратного уравнения получают два корня. Подходит только тот, который даёт неотрицательные концентрации и соответствует выбранному направлению реакции. После округления полезно подставить полученные значения в формулу \(K_c\).

Особые случаи

Если в условии дана равновесная концентрация одного вещества, неизвестное \(x\) часто находится сразу. Например, для реакции \(A\rightleftharpoons2B\), если \([B]_0=0\) и \([B]_{eq}=0{,}6\) моль/л, то \(2x=0{,}6\), следовательно, \(x=0{,}3\) моль/л. Затем можно вычислить концентрацию \(A\): \([A]_{eq}=[A]_0-0{,}3\).

Для гомогенной системы — равновесия в однородной системе — концентрации всех газов или растворённых веществ входят в расчёт по одинаковым правилам. Если реакция протекает в растворе и сопровождается образованием осадка, газа или слабого электролита, сначала проверяют условия протекания реакций обмена в растворах.

Равновесные концентрации не следует путать со скоростью реакции: скорость описывает, как быстро меняется состав, а равновесие — какие значения устанавливаются. Расчёты скорости химической реакции и расчёты равновесного состава отвечают на разные вопросы.