Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Попель

§ 10. Хімічна рівновага

Матеріал параграфа допоможе вам:

  • дізнатися про перебіг оборотної реакції з часом;
  • отримати відомості про хімічну рівновагу;
  • визначати напрямок зміщення хімічної рівноваги за певного зовнішнього впливу.

Хімічна рівновага. Ви знаєте, що одним із чинників, від яких залежить швидкість хімічної реакції, є концентрація реагентів. Чим вона більша, тим більша швидкість реакції.

Чому зі зростанням концентрації реагентів збільшується швидкість реакції?

Розглянемо перебіг реакції між двома розчиненими у воді речовинами А і В, продуктом якої є розчинна речовина С. Вважатимемо, що кожна речовина складається з молекул. Проведемо реакцію за умов, коли вона є оборотною:

А + В ⇄ С.

При зливанні розчинів А і В починається взаємодія між речовинами. Із часом концентрації реагентів зменшуватимуться, і пряма реакція уповільнюватиметься. Концентрація речовини С зростатиме, а отже, швидкість зворотної реакції збільшуватиметься. У певний момент швидкості прямої та зворотної реакцій зрівняються (мал. 14); скільки частинок речовини А або В прореагують, скажімо, за секунду, стільки ж частинок речовини С розкладуться. У подальшому швидкості обох реакцій і концентрації всіх речовин змінюватися не будуть.

Мал. 14. Зміна швидкостей прямої та зворотної реакцій із часом

Стан суміші реагуючих речовин, для якого швидкості прямої та зворотної реакцій однакові, називають хімічною рівновагою.

В одних випадках хімічна рівновага встановлюється миттєво (коли швидкості прямої та зворотної реакцій дуже великі), в інших — через тривалий час (коли обидві реакції відбуваються повільно).

Якщо спостерігати за перебігом оборотної реакції, то після встановлення хімічної рівноваги виявимо припинення будь-яких зовнішніх змін (наприклад, колір розчину чи кількість осаду більше не змінюватиметься). Складається враження, що хімічне перетворення завершилося. Але насправді і пряма, і зворотна реакції відбуватимуться з однаковою швидкістю. Тому кажуть, що хімічна рівновага є динамічною.

Зміщення хімічної рівноваги. Метою виробництва, численних хімічних дослідів є добування якомога більшої кількості продуктів реакцій. Багато реакцій є оборотними, однак хімічну рівновагу можна зміщувати. Покажемо це на прикладі взаємодії речовин А і В з утворенням речовини С (усі речовини перебувають у розчині або є газами; їхня суміш однорідна):

А + В ⇄ С.

Внесемо в рівноважну суміш порцію одного з реагентів, наприклад речовини А. Зростання концентрації цієї речовини призведе до різкого збільшення швидкості прямої реакції. Речовини А і В інтенсивніше витрачатимуться, їхні концентрації зменшуватимуться, пряма реакція гальмуватиметься. Концентрація речовини С зростатиме, зворотна реакція пришвидшиться. В якийсь момент швидкості обох реакцій зрівняються й настане нова хімічна рівновага. Концентрації реагенту А і продукту С будуть більшими, а концентрація реагенту В — меншою, ніж до нашого втручання в рівновагу.

Французький учений Анрі-Луї Ле Шательє у 1884 р. сформулював загальний принцип зміщення хімічної рівноваги (він названий принципом Ле Шательє):

якщо суміш речовин, що перебуває в стані хімічної рівноваги, зазнає зовнішнього впливу (змінюється концентрація речовини, температура або тиск), то рівновага зміщується в бік тієї реакції, яка послаблює цей вплив.

У щойно розглянутому прикладі в суміш додавали реагент·, рівновага зміщувалася в бік реакції, внаслідок якої реагент витрачався.

У який бік зміститься рівновага А + В ⇄ С, якщо зменшити концентрацію реагенту А в суміші?

Анрі-Луї Ле Шательє (1850—1936)

Відомий французький фізик, хімік, металознавець, член Французької академії наук, академій наук інших країн, Лондонського королівського товариства. Сформулював загальний принцип зміщення хімічної рівноваги залежно від зовнішніх чинників (1884). Експериментально підтвердив аналогію між розчинами і металічними сплавами. Сконструював мікроскоп для дослідження непрозорих твердих речовин, зокрема металів. Розробив термоелектричний пірометр — прилад для вимірювання температури розжареної речовини за її кольором.

Зменшення концентрації одного із продуктів реакції (видалення його з реакційної суміші) призводить до зміщення хімічної рівноваги в бік утворення продуктів. Для того щоб добути більшу кількість естеру в реакції естерифікації

суміш кислоти і спирту нагрівають для видалення одного з летких продуктів прямої реакції — естеру або води. Збільшити вихід естеру також можна, якщо взяти надлишок одного із реагентів — кислоти або спирту.

Тепер розглянемо вплив зміни температури на хімічну рівновагу. Припустимо, що реакція між речовинами А і B є екзотермічною, тобто відбувається з виділенням теплоти:

А + В ⇄ С; ΔН < 0.

При нагріванні рівноважної суміші речовин, тобто отриманні ними додаткової енергії, рівновага, згідно з принципом Ле Шательє, зміститься в бік ендотермічної реакції — розкладу речовини С. При цьому енергія не накопичуватиметься, а витрачатиметься. За деякий час встановиться нова хімічна рівновага: маси речовин А i В стануть більшими, а маса речовини С — меншою. Отже, за підвищення температури хімічна рівновага зміщується в бік ендотермічної реакції, а за зниження температури — в бік екзотермічної реакції.

Збільшиться чи зменшиться маса продукту реакції Н2 + І2 ⇄ 2НІ; ΔΗ > 0 з підвищенням температури?

Проведемо ще один мислений експеримент. Нехай усі речовини в оборотній реакції

А + В ⇄ С

є газами. Згідно з хімічним рівнянням, кожний 1 моль газу А взаємодіє з 1 моль газу В (тобто реагують 2 моль речовин), а утворюється 1 моль газу С. Інакше кажучи, із кожних двох об’ємів реагентів утворюється один об’єм продукту.

Збільшимо тиск на рівноважну суміш. Для того щоб цей вплив зменшився, рівновага має зміститися праворуч — у бік реакції, яка відбувається зі зменшенням об’єму речовин, а отже, й тиску.

Для оборотних реакцій, у яких загальний об’єм реагентів дорівнює загальному об’єму продуктів, зміна тиску не впливає на стан хімічної рівноваги.

Чи впливає тиск на зміщення рівноваги Н2 + І2 ⇄ 2НІ (усі речовини перебувають у газуватому стані)?

ВПРАВА. Проаналізуйте вплив зовнішніх умов (температури, тиску) на зміщення хімічної рівноваги N2 + ЗН2 ⇄ 2NH3; ΔH < 0.

Розв’язання

За умовою вправи реакція утворення амоніаку із простих речовин відбувається з виділенням теплоти. Згідно з принципом Ле Шательє, рівновага при нагріванні зміщується в бік реакції, під час якої теплота поглинається, тобто реакції розкладу амоніаку.

Усі речовини в оборотній реакції — гази. З одного об’єму азоту і трьох об’ємів водню, або 4-х об’ємів реагентів, утворюються 2 об’єми амоніаку. При збільшенні тиску рівновага зміщується в бік реакції, внаслідок якої об’єм газів зменшується (тиск зменшуватиметься), — реакції утворення амоніаку.

Деякі оборотні реакції відбуваються за наявності каталізаторів. Виявлено, що каталізатор пришвидшує і пряму, і зворотну реакції, тобто скорочує термін встановлення хімічної рівноваги, але не спричиняє її зміщення.

Хімічна рівновага в розчинах електролітів. Електролітична дисоціація кислот, взаємодія багатьох солей з водою (§ 12), деякі інші реакції за участю електролітів у розчинах є оборотними процесами. На них також поширюється принцип Ле Шательє. Наприклад, якщо в розчин оцтової кислоти

СН3СООН ⇄ СН3СОО- + H+

додати її сіль (скажімо, калій ацетат СН3СООК), яка містить йони СН3СОО- , то збільшення концентрації цих йонів призведе до зміщення хімічної рівноваги ліворуч — у бік утворення недисоційованих молекул кислоти (її ступінь дисоціації зменшиться).

ВИСНОВКИ

Під час перебігу оборотної реакції швидкість прямої реакції зменшується, а зворотної — збільшується. У певний момент швидкості обох реакцій зрівнюються й настає хімічна рівновага.

Хімічну рівновагу можна порушити, додавши в суміш речовин чи вилучивши з неї реагент або продукт, змінивши температуру чи тиск. Рівновага зміститься в бік тієї реакції, яка послаблює зовнішній вплив (принцип Ле Шательє).

  • 75. Як класифікують реакції залежно від можливих напрямків їх перебігу?
  • 76. Що таке хімічна рівновага? Чому її називають динамічною?
  • 77. Назвіть чинники, які впливають на стан хімічної рівноваги. Чи завжди рівновага зміщується при зміні температури? Чому?
  • 78. Чи призведе підвищення температури, зниження тиску до зміщення кожної з таких хімічних рівноваг (усі речовини в п. а перебувають у газуватому стані):

а) 2NO + О2 ⇄ 2ΝΟ2; ΔΗ = -113 кДж;

б) 2NaHCO3 ⇄ Na2CO3 + СО2↑ + Η2O↑; ΔΗ = +133,5 кДж?

Якщо рівновага зміститься, то в бік прямої чи зворотної реакції?

  • 79. Як потрібно змінити температуру, щоб змістити рівновагу в суміші газів CO + Cl2 ⇄ СОСl2; ΔH < 0 у бік реакції розкладу? Чи вплине на рівновагу зміна тиску?
  • 80. За деякої температури в закритому реакторі встановилася рівновага СаО + СО2 ⇄ СаСO3; ΔН < 0. Чи зміститься вона, якщо реактор відкрити, а температуру не змінювати? Якщо зміститься, то в бік прямої чи зворотної реакції? Відповідь обґрунтуйте.