1.4.4. Обратимые и необратимые химические реакции. Химическое равновесие. Смещение химического равновесия под действием различных факторов.

Обратимые и необратимые химические реакции

Химические реакции бывают обратимые и необратимые.

Необратимыми реакциями называют такие реакции, которые идут только в одном (прямом →) направлении:

т.е. если некоторая реакция A + B = C + D необратима, это значит, что обратная реакция C + D = A + B не протекает.

Обратимые реакции – это такие реакции, которые идут как в прямом, так и в обратном направлении (⇄):

т.е., например, если некая реакция A + B = C + D обратима, это значит, что одновременно протекает как реакция A + B → C + D (прямая), так и реакция С + D → A + B (обратная).

По сути, т.к. протекают как прямая, так и обратная реакции, реагентами (исходными веществами) в случае обратимых реакций могут быть названы как вещества левой части уравнения, так и вещества правой части уравнения. То же самое касается и продуктов.

Однако, условно принято считать, что реагентами в каждом конкретном уравнении обратимой реакции являются те вещества, которые записаны в его левой части, а продуктами – те, что записаны в правой, т.е.:

обратимая реакция продукты реагенты

Для любой обратимой реакции возможна ситуация, когда скорость прямой и обратной реакций равны. Такое состояние называют состоянием равновесия.

В состоянии равновесия концентрации как всех реагентов, так и всех продуктов неизменны. Концентрации продуктов и реагентов в состоянии равновесия называют равновесными концентрациями.

Смещение химического равновесия под действием различных факторов

Вследствие таких внешних воздействий на систему, как изменение температуры, давления или концентрации исходных веществ или продуктов, равновесие системы может быть нарушено. Однако после прекращения этого внешнего воздействия система через некоторое время перейдет в новое состояние равновесия. Такой переход системы из одного равновесного состояния в другое равновесное состояние называют смещением (сдвигом) химического равновесия.

Для того чтобы уметь определять, каким образом сдвигается  химическое равновесие при том или ином типе воздействия, удобно пользоваться принципом Ле Шателье:

Если на систему в состоянии равновесия оказать какое-либо внешнее воздействие, то направление смещения химического равновесия будет совпадать с направлением той реакции, которая ослабляет эффект от оказанного воздействия.

Влияние температуры на состояние равновесия

При изменении температуры равновесие любой химической реакции смещается. Связано это с тем, что любая реакция имеет тепловой эффект. При этом тепловые эффекты прямой и обратной реакции всегда прямо противоположны. Т.е. если прямая реакция является экзотермической и протекает с тепловым эффектом, равным +Q, то обратная реакция всегда эндотермична и имеет тепловой эффект, равный –Q.

Таким образом, в соответствии с принципом Ле Шателье, если мы повысим температуру некоторой системы, находящейся в состоянии равновесия, то равновесие сместится в сторону той реакции, при протекании которой температура понижается, т.е. в сторону эндотермической реакции. И аналогично, в случае, если мы понизим температуру системы в состоянии равновесия, равновесие сместится в сторону той реакции, в результате протекания которой температура будет повышаться, т.е. в сторону экзотермической реакции.

Например, рассмотрим следующую обратимую реакцию и укажем, куда сместится ее равновесие при понижении температуры:

Как видно из уравнения выше, прямая реакция является экзотермической, т.е. в результате ее протекания выделяется тепло. Следовательно, обратная реакция будет эндотермической, то есть протекает с поглощением тепла. По условию температуру понижают, следовательно, смещение равновесия будет происходить вправо, т.е. в сторону прямой реакции.

Влияние концентрации на химическое равновесие

Повышение концентрации реагентов в соответствии с принципом Ле Шателье должно приводить к смещению равновесия в сторону той реакции, в результате которой реагенты расходуются, т.е. в сторону прямой реакции.

И наоборот, если концентрацию реагентов понижают, то равновесие будет смещаться в сторону той реакции, в результате которой реагенты образуются, т.е. сторону обратной реакции (←).

Аналогичным образом влияет и изменение концентрации продуктов реакции. Если повысить концентрацию продуктов, равновесие будет смещаться в сторону той реакции, в результате которой продукты расходуются, т.е. в сторону обратной реакции (←). Если же концентрацию продуктов, наоборот, понизить, то равновесие сместится в сторону прямой реакции (→), для того чтобы концентрация продуктов возросла.

Влияние давления на химическое равновесие

В отличие от температуры и концентрации, изменение давления оказывает влияние на состояние равновесия не каждой реакции. Для того чтобы изменение давления приводило к смещению химического равновесия, суммы коэффициентов перед газообразными веществами в левой и в правой частях уравнения должны быть разными.

Т.е. из двух реакций:

N2(г) + O2(г) ⇄ 2NO(г) и N2(г) + 3Н2(г) ⇄ 2NН3(г)

изменение давления способно повлиять на состояние равновесия только в случае второй реакции. Поскольку сумма коэффициентов перед формулами газообразных веществ в случае первого уравнения слева и справа одинаковая (равна 2), а в случае второго уравнения – различна (4 слева и 2 справа).

Отсюда, в частности, следует, что если среди и реагентов, и продуктов отсутствуют газообразные вещества, то изменение давления никак не повлияет на текущее состояние равновесия. Например, давление никак не повлияет на состояние равновесия реакции:

Na2O(тв.) + ZnO(тв.) ⇄ Na2ZnO2(тв.)

Если же слева и справа количество газообразных веществ различается, то повышение давления будет приводить к смещению равновесия в сторону той реакции, при протекании которой объем газов уменьшается, а понижение давления – в сторону той реакции, в результате которой объем газов увеличивается.

Влияние катализатора на химическое равновесие

Поскольку катализатор в равной мере ускоряет как прямую, так и обратную реакции, то его наличие или отсутствие никак не влияет на состояние равновесия.

Единственное, на что может повлиять катализатор, — это на скорость перехода системы из неравновесного состояния в равновесное.

Воздействие всех указанных выше факторов на химическое равновесие сведено ниже в таблицу-шпаргалку, в которую поначалу можно подглядывать при выполнении заданий на равновесия. Однако же пользоваться на экзамене ей не будет возможности, поэтому после разбора нескольких примеров с ее помощью, ее следует выучить и тренироваться решать задания на равновесия, уже не подглядывая в нее:

Обозначения: T – температура, p – давление, с – концентрация, ↑ — повышение, ↓ — понижение

T

↑Т — равновесие смещается в сторону эндотермической реакции
↓Т — равновесие смещается в сторону экзотермической реакции

p

↑p — равновесие смещается в сторону реакции с меньшей суммой коэффициентов перед газообразными веществами
↓p — равновесие смещается в сторону реакции с большей суммой коэффициентов перед газообразными веществами

c

↑c(реагента) – равновесие смещается в сторону прямой реакции (вправо)
↓c(реагента) – равновесие смещается в сторону обратной реакции (влево)
↑c(продукта) – равновесие смещается в сторону обратной реакции (влево)
↓c(продукта) – равновесие смещается в сторону прямой реакции (вправо)
Катализатор На равновесие не влияет!!!
Комментариев 19
  1. Ваня Петров

    Класс

  2. Матроскин

    С получением аммиака точно неправильно обЪяснено, так как в промышленности смесь азота и водорода нагревают до 400 цельсиев, а не охлаждают

    • Сергей Широкопояс

      Самоуверенности много, а вот знаний мало. Год рождения 2001 прямо кричит о наличии серьезного образования.
      Вопрос был о смещении равновесия при понижении температуры, все верно. Учи матчать.
      Второй комментарий так же представляет собой претензию не по делу. Публиковать его не стал. Удачи

  3. Кристина

    Здравствуйте,если я добавлю инертный газ в обратимую реакцию,например аргон в cao+co2 равновесие не сместится?нужно обязательно чтобы вещества реагировали между собой?

    • Соавтор проекта Борисов И.С.

      Добрый день! При условии, что объем системы не изменится, добавление инертного газа не повлияет на равновесие.

      • Полина

        Здравствуйте!
        Скажите, пожалуйста, как сместится равновесие диссоциации уксусной кислоты при разбавлении? Ведь по принципу Ле-Шателье (уменьшится концентрация исходного вещества) равновесие смещается влево, но по закону разбавления Оствальда-диссоциация усилится. Как правильно ответить?
        И аналогичный вопрос необратимым гидролизом солей ,например, сульфида натрия. Если добавим исходную соль, то по принципу Ле-Шателье равновесие сместится вправо, но степень гидролиза уменьшится…

        • Соавтор проекта Борисов И.С.

          Добрый день! Что касается вопросов в рамках ЕГЭ, то мы не проводим столь детальный анализ происходящих явлений, нет той цели и знаний. С другой стороны, предложенные в 2020 году на экзамене задания вполне укладывались в стандартную школьную логику по теме о равновесии. Гидролиз при разбавлении усиливается, а степень диссоциации слабой кислоты увеличится. Часть кажущихся противоречий устранится, если связать подобные процессы с протолизом воды и образованием иона H3O(+), однако это выходит за рамки нашего понимания.

          • Полина

            Спасибо большое за ответ! Т.е. в вопросе о смещении равновесия при разбавлении уксусной кислоты (при ее диссоциации), отвечаем, что равновесие сместится вправо?

        • Соавтор проекта Борисов И.С.

          Да, верно. Сместится вправо.

  4. Данил

    Здравствуйте!
    Возник вопрос к предыдущему комментарию. Куда смещается равновесие гидролиза при увеличении концентрции гидролизующейся соли (при добавлении исходной соли)? Ведь по принципу Ле-Шателье -вправо (в сторону расхода),но гидролиз ослабевает (т.е. влево),что отвечать на экзамене?

    • Соавтор проекта Борисов И.С.

      Добрый день! На экзамене в подобную ситуацию вряд ли поставят, но придерживаемся простейшей логики, принципа Ле Шателье. Глубоко суть происходящих процессов не копаем.

  5. саида

    Здравствуйте, возник вопрос по поводу реакции меди с нитратом железа 3, пойдет ли реакция? прорешивая ваш вариант, наткнулась на эту реакцию и она оказалась в ответах, но почему не могу разобраться, ведь медь менее активный металл, по сравнению с железом.

    • Соавтор проекта Борисов И.С.

      Добрый день! А тут не будет полного замещения происходить. Железо просто снизит степень окисления с +3 до +2.

  6. Виктор Чаплиев

    Извините, можете подсказать, будет ли вода смешать равновесие в реакции или нет?

    • Соавтор проекта Борисов И.С.

      Добрый день! Вопрос достаточно широкий, требует уточнения. Достаточно часто влияет.

  7. Полина

    Здравствуйте! Скажите, пожалуйста, в реакции этерификации добавление концентрированной серной кислоты смещает равновесие в сторону образования сложного эфира? (Конц. H2SO4- водоотнимающее средство, т.е уменьшается концентрация продукта)?

    • Соавтор проекта Борисов И.С.

      Добрый день! Никаким водоотнимающим средством она там не является, только катализатор.

  8. Полина

    Спасибо!
    Можете, пожалуйста, уточнить почему тут не два эффекта: и катализатор, и водоотнимающее средство? (Концентрированная серная кислота используется как водоотнимающее средство, например, при дегидратации спиртов). Встречалось в литературе, что конц H2SO4 повышает выход сложного эфира.

    • Соавтор проекта Борисов И.С.

      Добрый день! Нигде она там не используется. Говорю, как химик-органик. Для удаления воды используется азеотропная отгонка воды с толуолом или осушитель вроде хлорида кальция. Остальное — домыслы. Серной кислоты никто там литр не наливает никогда.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.