Химия 11 класс 11-Х-4

Факторы, влияющие на смещение химического равновесия

На состояние химического равновесия оказывают влияние концентрации реагирующих веществ, температура, а для газообразных веществ и давление.

При изменении одного из этих параметров равновесие нарушается, т. е. скорость прямой и обратной реакций перестают быть равными. На какое-то время скорость одной из реакций становится больше, чем скорость ей обратной реакции; соответственно меняются и концентрации всех реагирующих веществ. Однако взаимное изменение концентраций, как уже показано выше, снова выравнивает скорости прямой и обратной реакций. Таким образом, спустя некоторое время наступит новое состояние равновесия, которому будут соответствовать новые значения равновесных концентраций. Такой переход равновесной системы от одного состояния равновесия к другому называется смещением (или сдвигом) химического равновесия.

Направление смещения химического равновесия при изменениях концентрации реагирующих веществ, температуры и давления (в случае газовых реакций) определяется общим правилом, которое получило название принципа Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, производится какое-либо внешнее воздействие, то в ней ускоряется та из двух противоположных реакций, которая ослабляет это воздействие.

Поясним принцип Ле Шателье на примере синтеза аммиака:

$$\rm 3H_2 + N_2 \rightleftarrows 2NH_3 + 92,4\text{кДж}$$

Если внешнее воздействие выражается в увеличении концентрации исходных веществ (азота или водорода), то в соответствии с законом действующих масс возрастет скорость прямой реакции и равновесие сместится вправо, в сторону образования аммиака. К тому же результату приведет уменьшение концентрации продукта реакции, так как вызовет уменьшение скорости обратной реакции. Этот прием часто используют для сдвига равновесия в сторону продукта, например, в реакции получения сложного эфира можно добиться большего выхода продукта, отгоняя более летучий эфир или вводя концентрированную серную кислоту, поглощающую образующуюся воду (т. е. снижая концентрацию одного из продуктов):

$$\rm R_1COOH + R_2OH \rightleftarrows R_1COOR_2 + H_2O$$

Напротив, снижение концентрации исходных веществ или увеличение концентрации (накопление) продуктов вызывает преобладание скорости обратной реакции, что приводит к уменьшению концентрации продуктов в равновесной смеси, или, как говорят, к смещению равновесия влево, в сторону исходных веществ.

Увеличение температуры связано с подводом к системе дополнительной тепловой энергии. Стремясь удержать равновесие, система будет воспринимать дополнительное тепло, ускоряя ту из взаимно противоположных реакций, которая идет с поглощением тепла. Если прямая реакция идет с выделением тепла, то обратная требует его затрат, значит, увеличение температуры при синтезе аммиака сдвинет равновесие в сторону эндотермической реакции, т.е. влево, в сторону исходных веществ (водорода и азота). Наоборот, снижение температуры заставит обратимую систему ускорить ту реакцию, которая, выделяя тепло, компенсирует снижение температуры (т. е. экзотермическую реакцию), и в равновесной смеси станет больше аммиака.

Изменение давления равновесной системы связано с изменением объема системы и, следовательно, количества молекул, находящихся в этом объёме, т. е. концентраций всех веществ. При этом изменится скорость как прямой, так и обратной реакции. Увеличение давления благоприятствует протеканию той реакции, которая приводит к уменьшению общего числа молей газообразных веществ. В нашем примере в левой части уравнения 3 + 1 = 4 моль, а в правой части 2 моль, значит, равновесие сместится вправо, в сторону образования продукта.

Необходимо подчеркнуть, что изменение давления смещает равновесие только в реакциях, протекающих в газовой фазе (или с участием газов), и только в той мере, в какой его влияние проявляется через концентрации газообразных веществ. Например, на смещение равновесия в обратимой системе $$\rm Fe_3O_{4\: \text{тв}} + CO_{\text{г}} \rightleftarrows 3FeO_{\text{тв}} + CO_{2\: \text{г}}$$ давление не влияет, поскольку учитываются только количества газообразных веществ – CO\rm CO и $$\rm CO_2$$, а они равны.

Катализаторы, изменяя энергии активации двух взаимно противоположных реакций, одинаково ускоряют как прямую, так и обратную реакции, и не влияют на смещение равновесия.

Пример 11

В какую сторону сместится равновесие обратимой реакции $$\rm N_2 + O_2 \rightleftarrows 2NO$$; ΔH>0\Delta H > 0: а) при понижении температуры; б) при повышении давления?

Решение

а) Понижение температуры вызовет необходимость подвода дополнительного тепла, т.е. сместит равновесие в сторону экзотермической реакции. Если прямая реакция протекает с поглощением тепла (ΔH>0\Delta H > 0) значит, обратная протекает с выделением тепла (ΔH<0\Delta H < 0). Равновесие сместится влево.

б) Повышение давления смещает равновесие в ту сторону, где меньшее суммарное количество веществ. Однако и в левой, и в правой частях уравнения реакции насчитывается по 2 моль веществ, значит, изменение давления не влияет на сдвиг равновесия.

Пример 12

Как надо изменить концентрацию, давление и температуру гомогенной системы $$\rm PCl_5 \rightleftarrows PCl_3 + Cl_2$$; ΔH>0\Delta H > 0, чтобы сместить равновесие в сторону разложения пентахлорида фосфора?

Решение

Смещения равновесия вправо можно добиться, увеличивая концентрацию исходного вещества ($$\rm PCl_5$$), уменьшая концентрации продуктов ($$\rm PCl_3$$ и $$\rm Cl_2$$), снижая давление (в левой части уравнения меньшее количество веществ, чем в правой) или увеличивая температуру (при этом ускоряется скорость эндотермической реакции, для которой ΔH>0\Delta H > 0).