Обратимость химических реакций.
Химическое равновесие и способы его смещения
Ключевые слова конспекта: Необратимые и обратимые реакции. Химическое равновесие и способы его смещения. Общая характеристика реакции синтеза аммиака и условия смещения её равновесия.
При изучении теории электролитической диссоциации вы установили отличие сильных электролитов от слабых. Сильные электролиты в растворах диссоциируют полностью, т. е. существуют только в виде ионов. Например:
Слабые электролиты диссоциируют частично, т. е. существуют в растворе как в виде ионов, так и в виде молекул. Одни молекулы распадаются на ионы (диссоциация), другие образуются из получившихся ионов (ассоциация). Например:
Сильные электролиты диссоциируют необратимо, а слабые — обратимо. Эту особенность отражают с помощью двух стрелок, направленных в противоположные стороны: стрелка, указывающая слева направо, отражает процесс диссоциации, обратная — ассоциации.
Из курса органической химии вы знаете, что ацетилен можно получить взаимодействием карбида кальция с водой:
Если вы попытаетесь из гидроксида кальция и ацетилена получить карбид кальция, т. е. провести обратную реакцию, у вас ничего не выйдет. Гидролиз карбида кальция относится к необратимым химическим реакциям.
| Химические реакции, протекающие в одном направлении, называются необратимыми. |
Взаимодействие карбоновой кислоты со спиртом называют, как вы знаете, реакцией этерификации. Катализаторами таких реакций являются сильные кислоты, например серная:
В то же время сложные эфиры, в том числе этиловый эфир уксусной кислоты, способны вступать в реакцию с водой в присутствии серной кислоты, т. е. гидролизоваться:
Нетрудно заметить, что реакции этерификации и гидролиза сложного эфира — зеркальное отражение друг друга, два взаимно противоположных процесса.
| Химические реакции, которые протекают в двух взаимно противоположных направлениях, называются обратимыми. |
В обратимых реакциях вместо знака равенства часто изображают две противоположно направленные стрелки — стрелки обратимости:
Условно реакцию, которая записана слева направо, называют прямой, а противоположную ей — обратной.
Обратимой, например, является реакция синтеза аммиака. Смесь азота с водородом пропускают через нагретый железный катализатор. Начинается химическая реакция:
Однако часть образующегося аммиака в тех же самых условиях (температура, катализатор) распадается:
Общее уравнение этого обратимого процесса можно записать так:
В реакции синтеза аммиака, как и в любой обратимой реакции, наступает такой момент времени, когда скорость прямой реакции становится равной скорости обратной.
| Состояние обратимой химической реакции, при котором скорости прямой и обратной реакций равны, называется химическим равновесием. |
При химическом равновесии концентрации участников реакции перестают изменяться, хотя ни прямая, ни обратная реакции не прекращаются. Сколько продуктов реакции образовалось за единицу времени, столько и разложилось с образованием исходных веществ.
Если условия реакции не изменяются, химическое равновесие может существовать сколь угодно долго. Стоит реакцию «потревожить», и равновесие смещается либо в сторону исходных веществ, либо в сторону продуктов реакции. Через некоторое время устанавливается новое равновесие. Такое явление называют смещением химического равновесия.
Какие факторы оказывают влияние на химическое равновесие? В общем случае таких факторов три: изменение температуры реакции, давления и концентрации реагирующих веществ.
Общий принцип смещения химического равновесия сформулировал в 1884 г. французский химик Анри Ле Шателье.
| Если на обратимую реакцию, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказывать воздействие (изменять температуру, давление или концентрацию веществ), то равновесие смещается в направлении, ослабляющем это воздействие. |
Проиллюстрируем этот принцип на примере реакции синтеза аммиака.
- На состояние равновесия оказывает влияние температура.
Реакция соединения водорода и азота сопровождается выделением теплоты, т. е. является экзотермической. Естественно, что разложение аммиака — эндотермический процесс:
Если в состоянии равновесия увеличить температуру реакционной смеси, то это вызовет ускоренное разложение аммиака, т. е. смещение равновесия влево. Это реакция эндотермическая, идёт с поглощением теплоты, и, следовательно, система препятствует повышению температуры.
Можно запомнить частное правило: увеличение температуры смещает равновесие в сторону эндотермической реакции.
- Если хотя бы один из участников обратимой реакции является газом, на состояние равновесия оказывает влияние давление.
Синтез аммиака сопровождается понижением давления, так как из четырёх объёмов исходных газов получается два объёма газообразного продукта (в соответствии с коэффициентами в уравнении реакции). Если в состоянии равновесия увеличить давление в системе, то равновесие сместится вправо, при этом объём смеси уменьшится и давление также станет меньше.
Получается, что увеличение давления смещает равновесие в сторону реакции, которая сопровождается уменьшением суммарного объёма газообразных веществ.
- На состояние равновесия можно повлиять изменением концентрации реагирующих веществ.
Допустим, в равновесную смесь азота, водорода и аммиака добавили дополнительное количество азота, т. е. увеличили его концентрацию. Равновесие в системе будет смещаться таким образом, чтобы азота стало меньше, т. е. в сторону образования аммиака.
Сделаем общий вывод: добиться большего выхода продукта в реакции синтеза аммиака можно уменьшением температуры, повышением давления, увеличением концентрации азота или водорода и уменьшением концентрации аммиака.
А как влияет катализатор на смещение равновесия? Синтез аммиака — это каталитический процесс, но катализатор в одинаковой степени увеличивает скорость как прямой, так и обратной реакции. Поэтому наличие катализатора на смещение равновесия никак не влияет, он только сокращает время установления равновесия.
Из-за того, что реакция синтеза аммиака обратима, выход аммиака меньше теоретически возможного; конечный продукт надо отделять от примеси исходных газов, а непрореагировавшие азот и водород вновь возвращать в аппарат синтеза. Таким образом, менее трети исходных газов за одно прохождение через реактор превращается в аммиак.
Конспект урока по химии «Обратимость химических реакций. Химическое равновесие и способы его смещения». В учебных целях использованы цитаты из пособия «Химия. 11 класс : учеб, для общеобразоват. организаций : базовый уровень / О. С. Габриелян, И. Г. Остроумов, С. А. Сладков. — М. : Просвещение». Выберите дальнейшее действие:
- Вернуться к Списку конспектов по химии
- Найти конспект в Кодификаторе ОГЭ по химии
- Найти конспект в Кодификаторе ЕГЭ по химии