Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Савчин

§ 11. ХІМІЧНА РІВНОВАГА. ПРИНЦИП ЛЕ ШАТЕЛЬЄ

Опанувавши матеріал параграфа, ви зможете:

  • пояснювати, що таке хімічна рівновага; вплив різних чинників на зміщення хімічної рівноваги;
  • характеризувати суть хімічної рівноваги;
  • добирати умови зміщення хімічної рівноваги оборотних процесів на основі принципу Ле Шательє;
  • висловлювати судження про значення принципу Ле Шательє в керуванні хімічними процесами.

Хімічна рівновага. Вам уже відомо, що під час оборотних реакцій речовини не витрачаються повністю. Утворені продукти знову взаємодіють між собою за тих самих умов. Наприклад, взаємодія сульфур(IV) оксиду з киснем за температури 450 °С та наявності каталізатора одночасно відбувається у двох напрямках, тобто здійснюються пряма й зворотна реакції:

2SO2 + O2 2SO3.

Під час перебігу прямої реакції концентрація реагентів зменшується, оскільки вони витрачаються на утворення продуктів. Однак настає момент, коли концентрація продуктів реакції різко зростає, а швидкості прямої та зворотної реакцій стають однаковими, тобто зрівноважуються. Такий стан системи називають хімічною рівновагою.

Зазначимо, що в стані рівноваги хімічні реакції не припиняються. Це означає, що за одиницю часу кількість молекул, що утворюються під час прямої реакції, дорівнює кількості молекул, що утворюються під час зворотної (рис. 29).

Рис. 29. Схема прямої та зворотної реакцій

Хімічна рівновага — це стан системи, коли швидкість прямої реакції зрівноважується зі швидкістю зворотної реакції.

Умови зміщення хімічної рівноваги оборотних процесів. Стан хімічної рівноваги є збитковим у хімічному виробництві. Тому вчені розпочали пошук способів зміщення рівноваги в бік продуктів реакції. До чинників, що впливають на зміщення рівноваги, належать зміни температури, тиску та концентрації. Ознайомимося докладніше, як ці чинники діють на зміщення хімічної рівноваги.

Вплив зміни температури. Певну історію має промислове виробництво амоніаку з азоту та водню. Ця реакція екзотермічна, тому під час реакції виділяється теплота. Рівняння реакції:

N2 + 3H2 ⇄ 2NH3, ΔΗ = -92 кДж/моль.

Очевидно, що процес розкладу амоніаку (зворотна реакція) є ендотермічним. Тому з підвищенням температури рівновага реакції зміститься в бік розкладу амоніаку, оскільки процес супроводжується поглинанням теплоти. Це протидіє підвищенню температури. Тож для зміщення рівноваги в бік виходу амоніаку суміш реагентів необхідно охолоджувати.

Отже, підвищення температури зміщує хімічну рівновагу в бік ендотермічної реакції, зниження температури — у бік екзотермічної.

Вплив зміни тиску. На стан хімічної рівноваги газоподібних речовин впливає тиск. Розглядаючи в цьому аспекті реакцію добування амоніаку, бачимо, що з чотирьох об'ємів газів, що вступали в реакцію, утворюється два об'єми амоніаку. Підвищення тиску зміщує рівновагу в бік прямої реакції і, відповідно, відбувається зниження тиску в системі.

Отже, підвищення тиску зміщує хімічну рівновагу в бік, що зумовлює зменшення об'єму, а зниження тиску — у бік збільшення об'єму речовин, що реагують.

Вплив зміни концентрації. Зміна концентрації однієї з речовин, що перебувають у стані хімічної рівноваги, зумовлює зміщення рівноваги в бік зменшення концентрації. Наприклад, розглянемо реакцію естерифікації, що є оборотною:

Якщо збільшити концентрацію етанової кислоти або етанолу, то рівновага зміститься в бік утворення естеру. Другий спосіб зміщення рівноваги в бік утворення продукту — забрати із системи один з продуктів реакції (наприклад, воду).

Отже, додавання в систему, що перебуває в стані хімічної рівноваги, одного з реагентів зміщує рівновагу в бік утворення продуктів реакції. Такий самий ефект отримують, якщо вивести із системи один з продуктів реакції. Якщо ж збільшувати концентрацію одного з продуктів, то реакція зміщується в бік реагентів.

Вплив зовнішніх чинників на стан хімічної рівноваги визначають за правилом, яке було сформульоване в 1884 р. А. Л. Ле Шательє та дістало назву принцип Ле Шательє.

Якщо на систему, що перебуває в стані хімічної рівноваги, подіяти ззовні (змінити температуру, тиск або концентрацію), то рівновага зміститься в бік, протилежний створеній умові.

Анрі Луї Ле Шательє (1850-1936) — французький фізик і хімік. Навчався в колежі Роллан у Парижі, Політехнічній школі та Вищій гірничій школі. Одночасно слухав лекції в Колеж де Франс. Після закінчення Вищої гірничої школи працював гірничим інженером в Алжирі. З 1877 по 1919 р. був професором Вищої гірничої школи в Парижі, у 1898-1907 рр. — професором кафедри загальної хімії в Колеж де Франс, у 1907-1925 рр. — професором Паризького університету. У 1907 р. був обраний членом Паризької академії наук.

Більшість робіт Ле Шательє присвячена прикладним проблемам. У 1884 р. сформулював принцип (названий його ім'ям), який використовується для моделювання різних виробничих процесів. У 1901 р. запропонував умови для промислового синтезу амоніаку. За активної участі вченого фізична хімія й хімічна технологія перетворилися на самостійні галузі науки. За свою наукову діяльність був удостоєний багатьох почесних нагород.

Використання каталізаторів не впливає на зміщення хімічної рівноваги, тому що вони однаково пришвидшують пряму й зворотну реакції.

Значення принципу Ле Шательє. Принцип Ле Шательє має вагоме значення в хімічному виробництві. Він дає змогу передбачити напрямок перебігу хімічної реакції за різних умов і, отже, керувати виробничими процесами.

Принцип Ле Шательє важливий для процесів, що відбуваються в біосфері. Вам уже відомо, що біологічно активні речовини постійно циркулюють у біосфері, тобто здійснюється її саморегуляція. Вона підтримується завдяки природним біологічним процесам живих організмів. Принцип Ле Шательє пояснює стійкість довкілля так: усі геофізичні й космічні зміни компенсуються змінами у функціонуванні живих організмів. Ці організми разом з довкіллям формують біосферу нашої планети. Зміни природних біологічних процесів, пов'язаних з живими організмами, призводять до порушення умов навколишнього середовища. Отже, кожна людина повинна пам'ятати, що втручання в природні процеси довкілля може спричинити відповідні екологічні незворотні наслідки на шкоду самій людині.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

Хімічна рівновага — стан системи, коли швидкість прямої реакції зрівноважується зі швидкістю зворотної реакції.

• На стан хімічної рівноваги впливають зміни температури, тиску, концентрації.

• Підвищення температури зміщує хімічну рівновагу в бік ендотермічної реакції, зниження температури — у бік екзотермічної.

• Для газів підвищення тиску зміщує рівновагу в бік, що спричиняє зменшення об'єму, а зниження — у бік збільшення об'єму речовин, що реагують.

• Додавання в систему, що перебуває в стані хімічної рівноваги, одного з реагентів зміщує рівновагу в бік утворення продуктів реакції. Ефект буде такий самий, якщо вивести із системи один з продуктів реакції. Якщо ж збільшувати концентрацію одного з продуктів, то реакція зміститься в бік реагентів.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

  • 1. Поясніть, що таке стан хімічної рівноваги.
  • 2. Поясніть вплив на зміщення хімічної рівноваги: а) температури; б) тиску; в) концентрації речовин.
  • 3. Охарактеризуйте суть принципу Ле Шательє.
  • 4. Висловте судження про значення принципу Ле Шательє для керування: а) виробничими процесами; б) біосферними процесами.
  • 5. Поясніть, як вплине підвищення тиску на зміщення рівноваги в системі

N2 + 3H2 ⇄ 2NH3, ΔΗ = -92 кДж/моль.

  • 6. Поясніть, як у разі підвищення температури зміститься рівновага реакцій: а) розкладу кальцій карбонату СаСО3 ⇄ СаО + СО2, ΔΗ = 178 кДж/моль; б) розкладу нітроген(ІІ) оксиду 2NO ⇄ N2 + O2, ΔΗ = -181 кДж/моль.
  • 7. Поясніть, як зміститься рівновага реакцій Н2 + І2 ⇄ 2НІ, якщо: а) увести в систему додаткову кількість водню; б) вивести із системи утворений продукт.