Хімія. Поглиблений рівень. Повторне видання. 9 клас. Бутенко

§ 45. Хімічна рівновага. Оборотні та необоротні реакції

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:

• що таке хімічна рівновага;
• як записують закон діючих мас в оборотних системах;
• від чого залежить константа хімічної рівноваги.

Необоротні хімічні реакції за певних умов (температури, концентрації реагуючих речовин, тиску) відбуваються практично до кінця, тобто поки хоча б один із реагентів не витратиться повністю:

Zn (тв) + 2НСl (р) = ZnCl₂ (р) + Н₂↑ (г)

Ця реакція відбувається лише в одному напрямку, оскільки продукти реакції не взаємодіють.

Оборотні хімічні реакції за певних умов одночасно відбуваються як у прямому, так і у зворотному напрямку. Прикладом оборотної реакції є взаємодія водню з газуватим йодом за кімнатної температури в закритій посудині:

Н₂ (г) + I₂ (г) ⇄ 2НI (г)

Але якщо закриту посудину заповнити газуватим гідроген йодидом, то незабаром у ньому з’явиться фіолетова пара I₂. Це є свідченням зворотної реакції:

2НІ (г) → I₂ (г) + Н₂ (г)

Записуючи рівняння оборотних реакцій, знак «дорівнює» замінюють стрілками:

Н₂ (г) + I₂ (г) ⇄ 2НІ (г)

і, як правило, указують агрегатний стан речовини.

У разі оборотних реакцій швидкість прямої реакції спочатку перевищує швидкість зворотної реакції:

v_пр = k_пр • С(Н₂) • С(I₂)

Однак із часом швидкість прямої реакції зменшується, а зворотної — збільшується:

v_зв = k_звС²(НІ)

Стан системи реагуючих речовин, за якого швидкості прямої та зворотної реакції стають однаковими, називають станом хімічної рівноваги:

k_прC(H₂) • C(I₂) = k_звC²(HI)

Демонстраційний дослід

Дотримуйтесь правил безпеки під час дослідів!

Визначення оборотності хімічних реакцій

1. У чотири пробірки вносимо по 5-10 крапель розведених розчинів ферум(IІІ) хлориду FeCl₃ і калій тіоціанату KNCS або амоній тіоціанату NH₄NCS. Перемішуємо розчини скляною паличкою. Першу пробірку з розчином зберігаємо як контрольну, для порівняння.

2. В одну з пробірок додаємо 10 крапель розчину FeCl₃, у другу — 10 крапель розчину KNCS, у третю — 10 крапель розчину КСl.

У розчині відбувається оборотна реакція:

Fe³⁺ + nNCS^- ↔ -Fe(NCS)_n^3-n

У якому напрямку зміщується рівновага досліджуваної реакції та як змінюється концентрація Fe(NCS)_n у 2, 3 і 4-й пробірках порівняно з його концентрацією в першій (контрольній) пробірці в разі додавання: а) ферум(IІІ) хлориду; б) калій тіоціанату; в) калій хлориду?

Хімічна рівновага є динамічною, оскільки в цьому стані реакції не припиняються, але співвідношення концентрацій реагуючих речовин залишається незмінним, тобто постійним. Тоді на основі рівності швидкостей прямої та зворотної реакцій можна записати:

де К_c — константа хімічної рівноваги, виражена через рівноважні концентрації реагуючих речовин (учасників реакції).

Рівноважні концентрації часто позначають у вигляді формул речовин, поміщених у квадратні дужки:

Одержане рівняння є математичним виразом закону діючих мас для оборотних систем. Воно означає, що за умови встановлення рівноваги відношення добутку рівноважних концентрацій продуктів реакції до добутку рівноважних концентрацій реагентів є величиною постійною. Ця величина залежить від температури та природи реагуючих речовин і не залежить від їхніх концентрацій.

• А як впливають на хімічну рівновагу каталізатори — речовини, що змінюють швидкість хімічної реакції? Каталізатори не зміщують хімічну рівновагу, тому що вони однаково впливають на швидкість як прямої, так і зворотної реакцій. За наявності каталізатора хімічна рівновага встановлюється швидше.

Основні поняття. Хімічна рівновага. Константа хімічної рівноваги.

Запитання та завдання

1. Які хімічні реакції називають оборотними, а які — необоротними? Наведіть приклади.

2. Який стан системи реагуючих речовин називають хімічною рівновагою?

3. Що таке константа хімічної рівноваги? Як її позначають? Від яких факторів вона залежить?

4. Як каталізатор впливає на стан хімічної рівноваги?

5. Початкова концентрація амоніаку становила 2 моль/л, а кисню — 2,5 моль/л. Через 30 хв перебігу реакції:

4NH₃ (г) + 5О₂ (г) = 4NO (г) + 6Н₂О (г)

концентрація амоніаку зменшилася до 1,28 моль/л. Обчисліть швидкість і константу швидкості цієї реакції за законом діючих мас.

6. Початкова концентрація нітроген(II) оксиду становила 9,6 моль/л, а водню — 9,8 моль/л. Через 36 хв перебігу реакції:

2NO (г) + 2Н₂ (г) = N₂ (г) + 2Н₂О (г)

концентрація нітроген(II) оксиду зменшилася до 4,8 моль/л. Обчисліть швидкість і константу швидкості цієї реакції за законом діючих мас.