Transcript Изтегли

ХИМИЧНО РАВНОВЕСИЕ
Необратими и обратими химични
процеси
Химично равновесие. Особености на
химичното равновесие
Фактори, влияещи на химичното
равновесие
Скорост и равновесие
Необратими химични
процеси
Химични реакции, при които крайните продукти
не могат да взаимодействат помежду си и
отново да се получат изходните вещества се
наричат необратими.
Пример: Запален, спиртът (С2Н5ОН) гори с
отделяне на СО2 и Н2О:
С 2 Н 5 ОН  3О 2  2 СО 2  3 Н 2 О  Q
При изчерпване на спиртните пари процесът
спира. Обратното взаимодействие между
крайните продукти (въглероден диоксид и вода)
до получаване на изходните вещества (спирт и
кислород) не е възможно.
Необратимите процеси протичат докрай.
Обратими химични процеси
Химични реакции, при които крайните
продукти могат да реагират помежду си и
да образуват изходните вещества, се
наричат обратими.
Пример 1: При температури от 450 до 1 000°С водородът и
кислородът се съединяват във вода:
2Н

до 1000 С
2
 О 2     2 Н 2 О
Над тази температура започва забележимото разпадане
на водата до водород и кислород. Над 3 000°С
разпадането е пълно и в сместа практически няма водни
пари:

над 3000 С
2 Н 2 О     2 Н
2
 О2
Пример 2: При нагряване над 900°С варовикът
се разпада, при което се получават негасена
вар и въглероден диоксид:
СаСО

над 900 С
3
    СаО  СО 2
При стайна температура протича обратният
процес:
стайна
тем ператур а
СаО  СО 2      СаСО
3
При този процес варта отново се превръща в
твърдия и траен карбонат. Това я определя
като свързващо вещество.
Прието е едната реакция да се нарича
права, а другата – обратна.
Реагиращите вещества на правата
реакция се записват в лявата страна на
уравнението. Реализирането на
правата или обратната реакция зависи
от условията, при които протича
процесът. В някои случаи е
невъзможно да се осигурят
подходящите условия и реакцията
протича само в едната посока.
Химично равновесие
Пример: Обратимият химичен
процес на взаимодействие между
водород и йод, при който се
получава йодоводород:
H2 + I2  2HI
Началната скорост (v1) в момента
на смесване на водород и йодни
пари в затворен съд при
определена температура е голяма.
С времето концентрациите на
изходните вещества намаляват и
скоростта на правата реакция (v1 )
намалява.
Скоростта на обратния процес (v2) в момента на смесване на водорода и
йодните пари е нула, защото в сместа няма йодоводород. Още при
получаването на първите количества йодоводород започва обратният
процес на разлагането му до йод и водород. С повишаване на
концентрацията на йодоводорода расте и скоростта на обратната реакция
Настъпва момент, в който скоростта на обратната реакция става равна на
скоростта на правата реакция (т. 3).
От този момент нататък колкото молекули йодоводород се образуват в
системата за единица време, толкова се и разлагат. Затова
концентрацията на веществата остават постоянни с времето.
Системата е в равновесие.
Химичното равновесие не е процес,
тъй като в реакционната смес не се
наблюдават промени.
Химичното равновесие е
състояние, характерно за
обратимите реакции. При
химичното равновесие скоростта на
правата и на обратната реакция са
равни, а концентрациите на всички
участващи в реакцията вещества са
постоянни с времето. Тези
концентрации се наричат
равновесни за системата.
Особености на химичното
равновесие:

Химичното равновесие е
динамично равновесие – макар,
че в реакционната смес не се
наблюдават видими промени, в
действителност в нея
продължават правата и
обратната реакция с еднакви
скорости.
 Химичното равновесие не зависи от
началното състояние на системата.
То зависи само от условията, при
които се намира тя.
Например, в обратимия процес на
взаимодействие между йод и водород
химично равновесие може да се достигне
както ако изходните вещества в затворения
съд са водород и йодни пари, така и ако
изходно вещество е йодоводород.
38 ,5 % HI

356 C
HI    30 , 75 % H 2  
 H 2  I2
356 C

30 , 75 % I 2
 При постоянни външни условия
химичното равновесие се запазва
безкрайно дълго време. При промяна на
тези условия, обаче равновесието се
нарушава. В системата с по-голяма
скорост протича правата или обратната
реакция до установяване на равновесие
при новите условия. Затова химичното
равновесие се характеризира като
подвижно равновесие.
Фактори, които влияят на
химичното равновесие
 Влияние на температурата:
Ако правата реакция в един обратим процес е
екзотермична, то обратната реакция е
ендотермична. При промяна на
температурата на една равновесна система,
химичното равновесие се нарушава:
─ при повишаване на температурата на сместа
трябва да протече с по-голяма скорост
реакцията, при която се поглъща топлина
(ендотермичната) до установяване на ново
равновесно състояние;
─ При понижаване на температурата се
ускорява екзотермичната реакция, при която
се отделя топлина до установяване на новото
равновесно състояние.
Пример: Превръщането на червенокафявия азотен диоксид в безцветен
диазотен тетраоксид е екзотермичен
процес:
2NO2  N2O4 + Q
Двата газа са в химично
равновесие.При потапяне на
епруветката с газовете в
леденостудена вода
температурата на системата
се понижава и се увеличава
скоростта на екзотермичния
процес, за да се компенсира
ефектът от охлаждането.
Равновесието се измества
към по-големи концентрации
на диазотен тетраоксид и
цветът избледнява.
При потапяне на епруветката
в гореща вода температурата
на газовете се повишава и се
ускорява ендотермичният процес. Равновесието се измества
към по-големи концентрации
на NO2 и цветът става по-наситен.
 Влияние на концентрацията:
─ При постоянно повишаване на
концентрацията на изходните вещества и
непрекъснато намаляване на концентрацията
на реакционните продукти (при t° = const), в
равновесната система протича с по-голяма
скорост правата реакция.
─ При намаляване концентрацията на изходните
вещества и увеличаване концентрацията на
реакционните продукти се благоприятства
обратният процес.
 Влияние на налягането:
При повишаване на налягането в една
равновесна система протича процес, който
води до по-малък обем и обратно – при
понижаване на налягането в системата
протича процес, който води до увеличаване
на обема.
Промяната на общото налягане не влияе
върху химичното равновесие на процеси,
протичащи без промяна в обема.
Принцип на Льо ШателиеБраун:
Ако на една равновесна
система се окаже външно
въздействие, в нея протича
процес, който намалява
приложеното въздействие.
Този принцип е валиден за всяко равновесие.
Познаването му позволява провеждането на
обратимите процеси в практиката в желаната
посока.
Равновесна константа (Кс):
 Да си припомним, че скоростта на химичните реакции
зависи от концентрацията на реагиращите вещества.
Тази зависимост намира математически израз в
кинетичното уравнение на съответната реакция.
Например:
За реакцията mA + nB  C зависимостта е :
V = k.cm(A).cn(B),
където :
c(A), c(B) - концентрация на изходните вещества;
m, n - молове, с които те участват в реакцията;
k - скоростна константа;
Скоростната константа не зависи от температурата на
реагиращите вещества. Тя зависи от концентрацията, от
участието на катализатор и др.
Нека разгледаме отново състоянието на
равновесие на системата H2, I2, HI при обратимия
процес на взаимодействие между водород и йод,
при което се получава йодоводород:
Това състояние се характеризира с
равенство между скоростите на правата
и обратната реакция: v1 = v2
Кинетичното уравнение за правата
реакция е:
v1 = k1 c(H2).c(I2)
Кинетичното уравнение за обратната
реакция е:
v2 = k2 c2 (HI)
Следователно, при химичното равновесие е
изпълнено равенството:
k1 c(H2).c(I2) = k2 c2 (HI)
От него следва:
k1
k2

 HI 
c  H 2 .c  I 2 
c
2
Тъй като k1 и k2 при дадена температура са
постоянни, то и тяхното отношение е постоянна
величина. Тя се нарича равновесна константа.
Бележи се с Kc .
2
KC 
c ( HI )
c ( H 2 ). c  I 2 
Обобщение:
В общия случай за реакция от вида:
n1 A1 + n2 A2 + … ↔ m1 B1 + m2 B2 + …
равновесната константа се дава с израза:
Kc 
c
m1
c
n1
 B1 c  B 2 
 A1 c n  A 2 
m2
2
Равновесната константа зависи само от температурата и
природата на участващите в химичното равновесие
вещества.
Равновесната константа не зависи от концентрацията на
участващите вещества и от присъствието на катализатори.
В израза за равновесната константа не се включва
концентрацията на твърдо вещество, тъй като тя се смята з
постоянна.
Оптимизиране на условията, при които
протичат химичните процеси:
Изучаването и познаването на факторите,
влияещи върху скоростта и химичното
равновесие при химичните процеси позволява
да се подберат онези условия, които да
осигурят в най-голяма степен конкретните
изисквания и да се получи възможно найдобрият резултат (най-бързо протичане на
процеса, най-евтино производство, ниска
степен на замърсяване на околната среда и
др.). Те се наричат оптимални условия за
работа.
Скорост и равновесие:
Фактори
Топлинен
ефект на
процеса
Присъствие
на
катализатори
Скорост
Не зависи от
топлинния ефект на
процеса. Скоростта във всички
случаи нараства с повишаване на
температурата. Затова в
производствените процеси се работи
при по-високи температури, за да се
получава по-голям добив за единица
време.
Когато даден процес е нежелан и е
необходимо той да се забави, се работи
при ниски температури.
Може да се регулира с
прибавянето на
положителен или
отрицателен
катализатор.
Равновесие
Зависи от топлинния
ефект. С нарастване на
температурата равновесието се
измества в посока на
ендотермичната реакция и обратно.
Ето защо, ако правата реакция (при
която се получават желаните
продукти) е екзотермична, за да се
осигури по-висок добив се работи
при възможно ниски температури.
Обратно, ако цел на производството
са продуктите на ендотермичната
реакция, трябва да се работи при
висока температура.
Катализаторът
влияе само върху
времето, за което се
достига
равновесието, но не и
върху самото
равновесие.
Фактори
Концентрация
на
реагиращите
вещества
Скорост
Равновесие
Влияе се от
концентрацията на
реагиращите
вещества. С повишаване
Влияе се от
концентрацията на
реагиращите
вещества. С повишаване
поне на една от концентрациите
скоростта на правата реакция
нараства. Времето за производство се
съкращава.
поне на една от концентрациите
равновесието се измества в
благоприятна посока -добивът на
полезен продукт нараства. Чрез
регулирането на концентрацията на
веществата в реакционната смес
може да се влияе върху
възможността за пълното
изразходване на едно или друго
вещество и повишаване
концентрацията на крайния продукт.
Налягане на Нараства с
реакционната повишаване на
смес
налягането защото при
това нарастава и концентрацията на
реагиращите вещества.
Променя се по
посока на правата
реакция само
тогава, когато тя е
свързана с
намаление на обема
на реакционната
смес.
В редица случаи факторите влияят в
противоположни посоки. Типичен пример са
екзотермичните процеси:
 Работата при висока температура води до бързото им
протичане, но равновесието се измества в обратна
посока (към обратната, ендотермичната реакция) и
поради това добивът на продуктите от правата реакция,
които са цел на производството, значително намалява.
 Работата при ниски температури би довела до
максимален добив, но скоростта на процеса е малка и
се забавя производството.
 Полезно в такива случаи се оказва участието на
катализатор, който позволява по-бързо да се достигне
равновесието при дадената температура и съкращава
времето за производство на желания продукт.
 Подбира се оптималната температура, която е
достатъчно висока за протичане на процеса с
необходимата скорост, но достатъчно ниска, за да
осигури достатъчен, макар и не максимален добив.
Извод:
 Факторите, които влияят върху скоростта на
химичните процеси и равновесие в желаната
посока, могат да са различни.
 Оптималните условия за протичане на даден
процес изискват комплексен и в много
случаи компромисен вариант на избор на
стойностите на параметрите (факторите), от
които той зависи.