Підручник з Хімії (рівень стандарту). 11 клас. Григорович - Нова програма

ТЕМА 3. ХІМІЧНІ РЕАКЦІЇ

§ 11. Хімічна рівновага

Пригадайте:

• швидкість хімічної реакції характеризує кількість утвореної або витраченої речовини за певний проміжок часу;

• швидкість хімічної реакції зростає зі збільшенням концентрації реагентів, підвищенням температури та за наявності каталізатора;

• екзотермічні реакції відбуваються з виділенням теплоти, для них зміна ентальпії реакції є від'ємною величиною (ΔΗ < 0), ендотермічні реакції відбуваються з поглинанням теплоти, зміна ентальпії такої реакції є додатною величиною (ΔΗ > 0).

Оборотні та необоротні реакції

За можливістю перебігу в прямому і зворотному напрямках хімічні реакції поділяють на оборотні та необоротні.

Оборотними є реакції, які за певних умов відбуваються як у прямому, так і у зворотному напрямках.

Так, наприклад, за звичайних умов між кальцій оксидом та вуглекислим газом переважно відбувається реакція з утворенням кальцій карбонату:

CaO + CO2 = CaCO3

За нагрівання до високої температури (1000 °С) переважно відбувається реакція розкладання кальцій карбонату:

Ці реакції є протилежними, але за проміжних значень температури вони відбуваються в обох напрямках одночасно. Отже, за певних умов реакція оборотна, що позначають знаком оборотності:

CaCO3 ⇄ CaO + CO2

Оборотні процеси поширені в природі. Це дисоціація води і слабких кислот, взаємодія водню з бромом, йодом, азотом тощо.

Реакції, які за певних умов відбуваються переважно тільки в одному напрямку, є необоротними.

Необоротні ті реакції, продукти яких не здатні реагувати один з одним, утворюючи початкові речовини. Тому в необоротних реакціях усі реагенти взаємодіють один з одним повністю з утворенням продуктів реакції. Більшість реакцій у неорганічній хімії є саме необоротними, на відміну від реакцій за участі органічних речовин.

Поняття про хімічну рівновагу

Оборотні реакції ніколи не відбуваються до кінця. Оскільки пряма та зворотна реакції відбуваються одночасно, то в певний момент часу їхні швидкості зрівняються, і настане хімічна рівновага.

Водень із йодом взаємодіють з утворенням йодоводню, і за певних умов ця реакція є оборотною:

H2 + I2 ⇄ 2HI

У початковий момент часу в посудині містяться лише реагенти — водень та йод, і їхні концентрації максимальні (мал. 11.1, а). Молекули H2 і I2 починають взаємодіяти одна з одною — відбувається пряма реакція. Швидкість цієї реакції в початковий момент часу максимальна і зменшується в міру того, як реагенти витрачаються (мал. 11.1, б ).

Мал. 11.1. Зміна концентрації реагентів і продуктів реакції (а) та швидкості реакції (б) оборотних реакцій під час досягнення стану хімічної рівноваги

І, навпаки, зворотна реакція в початковий момент часу взагалі не відбувається, а зі збільшенням концентрації продукту реакції — йодоводню — її швидкість підвищується. Нарешті, у певний момент часу швидкості прямої і зворотної реакцій стають однаковими, а концентрації реагентів і продукту реакції перестають змінюватися з часом. Такі концентрації називають рівноважними. Настає стан хімічної рівноваги.

Хімічна рівновага — стан хімічної системи, у якій відбувається оборотна реакція, за якого швидкості прямої і зворотної реакцій однакові.

Іноді, коли аналізують стан рівноваги, можуть зробити помилковий висновок, що в системі нічого не відбувається, оскільки не змінюються концентрації всіх компонентів. Але і пряма, і зворотна реакції відбуваються одночасно з однаковими швидкостями: скільки продуктів утворюється за одиницю часу в результаті прямої реакції, стільки ж і витрачається у зворотній. Хімічна рівновага має динамічний характер.

Динамічний характер рівноваги можна проілюструвати на простому прикладі: уявіть резервуар із водою, у який з одного боку вода вливається, а з іншого — виливається (мал. 11.2). Якщо швидкість, із якою вода вливається, дорівнює швидкості, із якою вода виливається, то рівень води в резервуарі не змінюється.

Мал. 11.2. Динамічний характер рівноваги

Вплив зміни концентрації речовин на стан хімічної рівноваги

Багато промислово важливих реакцій є оборотними. Щоб досягти більшого виходу продуктів реакції, потрібно навчитися керувати рівновагою, зміщуючи її в той чи інший бік. Оскільки стан рівноваги визначається швидкостями прямої і зворотної реакцій, то він залежить від тих самих чинників, що і швидкість, а саме від концентрації речовин, температури та тиску (для реакцій за участі газів).

Розгляньмо реакцію синтезу амоніаку з простих речовин:

N2 + 3H2 ⇄ 2NH3

Після змішування азоту з воднем та нагрівання за певний час у системі встановлюється рівновага з певним умістом азоту, водню й амоніаку (мал. 11.3, а), а швидкість реакцій синтезу та розкладання амоніаку однакова.

Якщо до цієї рівноважної суміші додати азот, то швидкість прямої реакції зросте внаслідок збільшення концентрації реагенту (мал. 11.3, б). Стан рівноваги порушиться, при цьому кількість утвореного амоніаку буде збільшуватися доти, доки швидкість його розкладання знову не дорівнюватиме швидкості його утворення, тобто поки не буде досягнуто нового стану рівноваги (мал. 11.3, в).

Мал. 11.3. Зміщення стану рівноваги в разі зміни концентрації речовин: а — початкова рівноважна суміш N2, H2, та NH3; б — додавання N2; в — новий стан рівноваги, за якого вміст азоту в суміші більший (унаслідок його додавання), амоніаку — більший (унаслідок утворення), а водню — менший

Отже, додавання реагентів до рівноважної суміші зміщує рівновагу в бік продуктів реакції. Додавання продукту, навпаки, прискорює зворотну реакцію і зміщує хімічну рівновагу в бік реагентів.

Правильним є також і зворотне твердження: видалення одного з продуктів реакції з рівноважної суміші зміщує рівновагу в бік продуктів, що зрештою робить процес необоротним. Саме тому видалення речовин із розчину у вигляді осаду або газу є умовою необоротності реакцій йонного обміну.

Для оборотної реакції у стані рівноваги: А⇄В

Додавання А → прискорює пряму реакцію → рівновага зміщується в бік В

Видалення А → гальмує пряму реакцію → рівновага зміщується в бік А

Додавання В → прискорює зворотну реакцію → рівновага зміщується в бік А

Видалення В → гальмує зворотну реакцію → рівновага зміщується в бік В

Ці висновки щодо зміщення рівноваги в разі зміни концентрацій компонентів рівноважної суміші є окремим випадком загального принципу зміщення хімічної рівноваги, сформульованого французьким хіміком Анрі Ле Шательє:

Якщо на рівноважну систему впливати ззовні, змінюючи будь-яку умову рівноваги (температуру, тиск, концентрацію компонентів), то рівновага зміщується в бік прискорення процесів, спрямованих на послаблення зовнішнього впливу.

Анрі Луї Ле Шательє (1850-1936)

Французький фізик і хімік. Сформулював правило зміщення хімічної рівноваги

Зверніть увагу на те, що вирази «зміщення рівноваги в бік тієї чи іншої реакції» або «в бік продуктів чи реагентів» означають збільшення концентрації продуктів або реагентів цієї реакції порівняно з попереднім станом рівноваги.

Вплив зміни температури середовища на стан хімічної рівноваги

Для визначення впливу зміни температури на стан рівноваги необхідно враховувати зміну ентальпії реакції. Зверніть увагу, що зміна ентальпії залежить від напрямку реакції. Для будь-якої оборотної реакції: якщо пряма реакція є екзотермічною, то зворотна — ендотермічною:

А → В; ΔΗ < 0

В → А; ΔΗ > 0

Нагрівання рівноважної суміші зміщує рівновагу в бік ендотермічної реакції, а охолодження — у бік екзотермічної

Якщо відбувається екзотермічна реакція, то реакційна суміш нагрівається, і навпаки. Отже, відповідно до принципу Ле Шательє, підвищення температури (нагрівання) рівноважної суміші має зміщувати рівновагу в бік охолодження, тобто прискорювати ту реакцію, у якій теплота поглинається, і навпаки.

Розглянемо вплив температури на стан хімічної рівноваги на прикладі реакції димеризації нітроген(IV) оксиду. Сам нітроген(IV) оксид NO2 — інтенсивно забарвлений червоно-коричневий газ, під час його димеризації утворюється безбарвний N2O4 (динітроген тетраоксид):

2NO2 ⇄ N2O4; ΔΗ = -58 кДж/моль

Пряма реакція димеризації є екзотермічною: теплота виділяється, і суміш нагрівається, отже, для зміщення рівноваги в бік прямої реакції необхідно рівноважну суміш охолоджувати (мал. 11.4, б). Реакція розкладання димеру є ендотермічною, тому для зміщення рівноваги в бік зворотної реакції необхідно нагрівання рівноважної суміші (мал. 11.4, а).

Мал. 11.4. Нагрівання рівноважної суміші (2NO2 ⇄ N2O4) зміщує рівновагу в бік розкладання димеру, про що свідчить посилення червоно-коричневого забарвлення (а), а під час охолодження рівновага зміщується в бік утворення димеру, і суміш знебарвлюється (б)

Вплив зміни тиску на стан хімічної рівноваги

Тиск безпосередньо не впливає на швидкість хімічних реакцій. Але підвищення тиску спричиняє збільшення концентрації газуватих речовин. Отже, зміна тиску зумовлює зміщення рівноваги тільки для реакцій за участі газів, до того ж під час цих реакцій має змінюватися загальне число молекул газуватих речовин.

Згідно з принципом Ле Шательє, підвищення тиску зміщує рівновагу в бік зниження тиску в рівноважній суміші, тобто зменшення числа молекул газуватих речовин, а зниження тиску зміщує рівновагу в бік збільшення числа молекул газуватих речовин.

Для оборотної реакції у стані рівноваги: А⇄2В

Пряма реакція → підвищує тиск у рівноважній системі

Зворотна реакція → знижує тиск у рівноважній системі

Підвищення тиску ззовні → зміщує рівновагу в бік зворотної реакції

Зниження тиску ззовні → зміщує рівновагу в бік прямої реакції

Наприклад, у реакції синтезу амоніаку число молекул газуватих речовин зменшується (з 4 до 2), тобто під час прямої реакції знижується тиск у системі:

Підвищення тиску зміщує рівновагу в бік зменшення числа молекул газів, тому за підвищення тиску рівновага зміщується в бік продукту реакції (мал. 11.5, с. 57).

Мал. 11.5. Зміщення стану рівноваги в разі зміни тиску: а — початкова рівноважна суміш N2, H2, та NH3; б — зменшення об'єму суміші, що спричиняє підвищення тиску; в — новий стан рівноваги, за якого вміст амоніаку більший, а водню та азоту — менший

У рівноважній системі реакції розкладання вапняку дві речовини (вапняк і кальцій оксид) тверді, на їх концентрацію тиск не впливає. Але в цій реакції змінюється число молекул газуватої речовини:

Під час перебігу прямої реакції відбувається підвищення тиску, тому підвищення тиску ззовні зміщує рівновагу в бік зворотної реакції (мал. 11.6).

Мал. 11.6. Зміщення стану рівноваги реакції розкладання вапняку в разі зміни тиску: а — початковий рівноважний стан; б — зі зменшенням об'єму підвищується тиск і зменшується кількість вуглекислого газу, рівновага зміщується в бік реагентів

У реакції синтезу гідроген йодиду з простих речовин число молекул газуватих речовин не змінюється (до і після реакції по 2):

На стан рівноваги таких реакцій зміна тиску не впливає.

Вплив наявності каталізаторів на стан хімічної рівноваги

У разі додавання каталізатора до суміші, що перебуває в стані хімічної рівноваги, прискорюються як пряма, так і зворотна реакції, до того ж швидкості обох реакцій підвищуються однаково. Рівновага при цьому зберігається. Отже, каталізатор не зміщує рівновагу, а тільки прискорює її встановлення.

Використання знань про зміщення хімічної рівноваги для розв'язання технологічних проблем

Більшість промислово важливих хімічних реакцій є оборотними. Це означає, що не всі реагенти перетворюються на продукти реакції. Тому після взаємодії з рівноважної суміші необхідно видалити цільовий продукт реакції, а реагенти, що залишилися, повернути в реактор для подальшого перетворення.

Трапляються випадки, коли за жорстких умов (і навіть за наявності каталізаторів) ступінь перетворення реагентів на продукти дуже малий (10 % і менше). У такому разі технолог підприємства має вирішити технологічну проблему:

• обрати такі умови реакції, щоб максимально змістити рівновагу в бік продуктів реакції;

• для зменшення собівартості продукції обрати умови якомога менш жорсткі: нижчу температуру й тиск, зменшити витрати дорогих реагентів і каталізаторів.

Завдання. Визначте, як впливає підвищення температури й тиску на вихід продуктів у реакціях. Запропонуйте дії для максимально ефективного результату утворення продукту реакції.

а) CO2(г.) + С(тв.) ⇄ 2СO(г.); ΔΗ > 0

Пряма реакція відбувається з поглинанням теплоти, тому нагрівання сприятиме зміщенню рівноваги в бік прямої реакції, тобто вихід чадного газу CO збільшиться. У ході прямої реакції загальне число молекул газуватих речовин збільшується (вуглець перебуває у твердому стані, його не враховують). Отже, збільшення тиску сприятиме перебігу зворотної реакції, рівновага зміститься в бік реагентів, і вихід CO зменшиться.

Таким чином, для збільшення виходу чадного газу реакцію необхідно проводити за якомога більшої температури та якомога меншого тиску.

б) Н2(г.) + S(р.) ⇄ H2S(г.); ΔΗ < 0

Пряма реакція відбувається з виділенням теплоти, тому нагрівання сприятиме перебігу зворотної реакції, рівновага зміститься в бік реагентів, і вихід сірководню зменшиться. У цій системі число молекул газуватих речовин не змінюється (сірка перебуває в рідкому стані, її не враховують), тому тиск не впливатиме на стан рівноваги і вихід продукту.

Отже, для збільшення виходу сірководню реакцію можна проводити за будь-якого зручного для технологічного процесу тиску та забезпечити якомога меншу температуру, за якої сірка перебуває в рідкому стані.

Ключова ідея

Рівновага — фундаментальне поняття для будь-якого процесу. Знання про хімічну рівновагу допомагає організувати більш дешевий і зручний технологічний процес одержання речовин.

Контрольні запитання

144. Які хімічні реакції називають оборотними? Наведіть приклади таких реакцій.

145. Наведіть по одному прикладу оборотних реакцій, у яких реагентами є: а) дві газуваті речовини; б) рідка та газувата речовини; в) тверда й газувата речовини; г) одна тверда речовина.

146. Що розуміють під хімічною рівновагою? Яким є стан хімічної рівноваги: статичним чи динамічним? Як це можна довести?

147. Сформулюйте принцип Ле Шательє і проілюструйте його на прикладах.

148. Які чинники і як саме впливають на стан хімічної рівноваги?

149. Наведіть приклад оборотної реакції за участі газуватих речовин, у якій стан рівноваги не залежить від тиску.

150. У чому полягає користь знань про хімічну рівновагу?

Завдання для засвоєння матеріалу

151. Як впливатиме зміна температури й тиску на стан рівноваги і вихід продуктів у процесах?

а) 2Hg + О2 ⇄ 2HgO; ΔΗ < 0;

б) Н2О ⇄ Н+ + OH-; ΔΗ > 0;

в) FeO + CO ⇄ Fe + CO2; ΔΗ < 0;

г) Н2О(р.) ⇄ Н2О(г.); ΔΗ > 0;

д) N2 + O2 ⇄ 2NO; ΔΗ > 0;

е) N2O4(г.) ⇄ 2NO2(г.);ΔΗ > 0;

є) Н2(г.) + І2(г.) ⇄ 2НІ(г.); ΔΗ > 0;

ж) СаCО3(тв.) ⇄ CaO(тв.)+CO2(г.); ΔΗ > 0.

152. Які чинники сприяють підвищенню виходу продуктів промислово важливих реакцій?

а) 4NO2 + О2 + 2Н2О ⇄ 4HNO3; ΔΗ < 0;

б) C + H2O ⇄ CO + H2; ΔΗ > 0;

в) N2 + 3H2 ⇄ 2NH3; ΔΗ < 0;

г) 2SO2+ O2 ⇄ 2SO3; ΔΗ < 0;

д) CO + 2H2 ⇄ CH3OH; ΔΗ < 0.

153. Суміш, що містить сульфур(IV) оксид і кисень кількістю речовини по 2 моль, нагріли з каталізатором. Після встановлення рівноваги в суміші виявлено 1 моль SO3. Обчисліть кількості речовини реагентів у рівноважній суміші.

Завдання з розвитку критичного мислення

154. У стані рівноваги співвідношення концентрацій реагентів та продуктів реакції стале і не залежить від початкової кількості реагентів. Прокоментуйте це твердження за графіками:

155. Випалювання вапняку — оборотна хімічна реакція: CaCO3 ⇄ CaO + CO2; ΔΗ > 0. Поясніть, із якою метою крізь вапняк під час випалювання пропускають повітря.

156. Для реакції синтезу амоніаку побудуйте графіки зміни кількості речовини азоту, водню й амоніаку під час досягнення рівноважного стану, якщо початкова кількість речовини азоту дорівнює 3 моль, водню — 8 моль, а кількість речовини амоніаку в рівноважній суміші за певних умов становить 4 моль. (Зразком можуть бути графіки із завдання 154.)

157. У додаткових джерелах знайдіть інформацію щодо виробництва газованих напоїв. Поясніть із точки зору хімічної рівноваги умови виготовлення таких напоїв та зовнішні ефекти, що супроводжують відкриття пляшки з газованою водою.

158. Як ви вважаєте, що є практично вигіднішим для зміщення рівноваги реакції синтезу амоніаку задля зменшення собівартості продукту: а) збільшення тиску в реакторі; б) збільшення концентрації азоту; в) збільшення концентрації водню? Відповідь обґрунтуйте.

159. Що, на вашу думку, може перешкодити хімічній системі досягти стану рівноваги? Відповідь проілюструйте прикладами.

160. Чи можна поняття про рівновагу та умови її зміщення застосовувати для інших (не хімічних) природних явищ? доведіть свою думку, наведіть приклади.

161. За час свого існування атмосфера землі ще не досягла стану рівноваги зі Світовим океаном та ґрунтом. Як ви вважаєте, які чинники «відповідальні» за це?

162. Чи можна поняття про хімічну рівновагу застосовувати для характеристики процесу розчинення речовин, пояснення існування насичених, пересичених та ненасичених розчинів? Відповідь обґрунтуйте.

163. Якщо насичений розчин певної речовини перебуває в контакті з подрібненими кристалами цієї речовини, то з часом найдрібніші кристалики зникають, а найбільші укрупнюються (зростають). Чи можна пояснити цей факт, використовуючи поняття про динамічну рівновагу?

164. У рівноважній суміші маси реагентів і продуктів реакції не однакові. Чи є це порушенням закону збереження маси в хімічних реакціях? Відповідь обґрунтуйте.

165. Бензойна кислота — ароматична одноосновна слабка кислота. Зразок твердої бензойної кислоти С6Н5СООН перебуває в рівновазі з насиченим розчином бензойної кислоти. До розчину додали невелику кількість важкої води D2O, що містить нуклід дейтерію 2Н. Розчин витримали за кімнатної температури кілька годин, а потім кристали бензойної кислоти відфільтрували та висушили. Аналізом установили, що твердий зразок бензойної кислоти містить молекули С6Н5СООD із нуклідами Дейтерію. Поясніть, унаслідок яких процесів це могло статися.