График установления химического равновесия

График изменения концентраций позволяет определить, когда в обратимой реакции устанавливается химическое равновесие, какие вещества расходуются и образуются, а также произошло ли смещение равновесия после изменения условий. Для уверенного чтения графика нужны представления о динамическом равновесии и таблице изменения концентраций.

Что показывает график концентрации

По горизонтальной оси обычно откладывают время \(t\), а по вертикальной — концентрацию \(c\). Каждая кривая показывает, как меняется концентрация одного участника реакции. Для реакции \(\mathrm{A + B \rightleftharpoons C + D}\) исходные вещества A и B обычно расходуются, поэтому их концентрации уменьшаются. Продукты C и D образуются, поэтому их концентрации увеличиваются.

На графике равновесие устанавливается не в точке пересечения кривых, а в момент, после которого концентрации становятся постоянными. Поэтому нужно искать участок горизонтальных линий или практически горизонтальных кривых.

Как определить момент равновесия

Алгоритм чтения графика одинаков для большинства экзаменационных заданий.

1. Определите, что отложено по осям: время или другой параметр по оси \(x\), концентрация — по оси \(y\).
2. Найдите участки, на которых кривые становятся горизонтальными.
3. Проверьте все вещества: момент равновесия задаётся не первой горизонтальной кривой, а началом общего постоянства концентраций.
4. Считайте равновесными концентрации, соответствующие горизонтальным участкам.
5. Сравните начальные и равновесные значения, чтобы определить, какие вещества расходуются, а какие образуются.

Если график начинается с горизонтального участка, это означает, что система уже находилась в равновесии в начальный момент наблюдения. Если затем концентрация резко меняется, сначала ищут скачок, вызванный изменением условий, а затем новый горизонтальный участок.

Что означает смещение равновесия

Смещение равновесия — изменение равновесного состава системы после изменения условий. На графике оно проявляется как переход кривых на новые постоянные уровни.

Для определения направления не нужно угадывать причину изменения. Сначала сравните уровни концентраций до и после установления нового равновесия. Причину затем связывают с принципом Ле Шателье: система противодействует изменению условий.

Важно различать мгновенное изменение и смещение. При добавлении вещества его концентрация может сразу прыгнуть вверх, а затем измениться из-за реакции. Направление смещения определяют по результату после нового установления равновесия, а не только по вертикальному скачку.

Разобранный пример

Рассмотрим реакцию \(\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3}\). На графике до момента \(t_1\) концентрация аммиака возрастает от \(0\) до \(2{,}0\) моль/л, а концентрации азота и водорода уменьшаются и после \(t_1\) становятся постоянными. В момент \(t_2\) в систему добавили водород: его концентрация резко возросла. Затем концентрация водорода уменьшилась до нового постоянного значения, концентрация аммиака увеличилась, а концентрация азота уменьшилась.

Связь графика со скоростью реакции

Наклон кривой концентрации связан со скоростью изменения концентрации. Чем круче кривая, тем быстрее меняется концентрация. В начале реакции обычно наклон больше, потому что концентрации реагентов выше и столкновения частиц происходят чаще. По мере расходования реагентов наклон уменьшается.

В равновесии концентрации постоянны, поэтому скорость изменения макроскопических концентраций равна нулю. Это не означает, что скорости прямой и обратной реакций равны нулю: они равны друг другу и могут быть ненулевыми.

Формулы и количественная проверка

Для реакции \(a\mathrm{A}+b\mathrm{B}\rightleftharpoons c\mathrm{C}+d\mathrm{D}\) изменение концентраций связано стехиометрическими коэффициентами. Если прореагировало \(x\) моль/л вещества A, то B уменьшится на \(\frac{b}{a}x\), а C увеличится на \(\frac{c}{a}x\).

Это соотношение помогает проверить график и расчёты химического равновесия. Например, в реакции образования аммиака уменьшение концентрации водорода по модулю должно быть в три раза больше уменьшения концентрации азота, а увеличение концентрации аммиака — в два раза больше уменьшения концентрации азота.