Химическое равновесие. 
Химия

Изучив материал, изложенный в главе 12, обучающийся должен:

знать

• • что такое обратимые и необратимые химические реакции, химическое равновесие (кинетический и термодинамический подходы), константа химического равновесия, смещение химического равновесия;
• • принцип Ле Шателье;

уметь

• • вычислять значение константы равновесия из термодинамических характеристик реакции;
• • вычислять равновесные концентрации;

владеть

• общими принципами смещения химического равновесия при изменении условий.

Обратимые и необратимые химические реакции

Если через трубку, заполненную оксидом железа, пропускать водород (рис. 12.1), то в результате реакции.

получается железо и нары воды.

Реакция легко и быстро идет при температуре 500—600°С, но часть водорода, различная при разных температурах, остается не прореагировавшей. Если температура поддерживается постоянной, то через некоторое время отношение Рщо/Рщ на выходе из трубки тоже становится постоянным. Ни уменьшение скорости газового потока, ни увеличение слоя оксида не сказываются на отношении Рщо/Рщ-

Возможен и другой опыт: если трубку заполнить металлическим железом и пропускать над ним водяной нар, то железо окисляется водой по реакции

Рис. 12.1. Схема установления равновесия в системе Ре₃0_/4 + 4Н₂ = 3Fe + 4Н₂0.

В этом случае часть воды останется не прореагировавшей. Если обе реакции вести при одной и той же температуре, то па выходе из трубки отношение P_HO/P_Hl в парогазовой смеси, прошедшей через слой железа, оказывается таким же, как и в парогазовой смеси, прошедшей через слой оксида.

В трубке 1 равновесие устанавливается со стороны Ее., О, + Н." в трубке 2 — со стороны Fc + Н₂0.

Таким образом, обе рассматриваемые реакции при одних и тех же условиях (Ги Р) могут быть проведены как в прямом, так и в обратном направлении.

• Реакции, которые при одной и той же температуре в зависимости от соотношения реагентов могут протекать как в прямом, так и в обратном направлении, называются обратимыми. Общий предел прямой и обратной реакций называется состоянием равновесия.

Чтобы подчеркнуть обратимость реакции, при ее написании вместо знака равенства пишут две стрелки, направленные в противоположные стороны:

Следует подчеркнуть, что, пропуская водород через трубку е оксидом железа достаточно долго и, самое главное, удаляя при этом воду из зоны реакции, можно полностью, практически до конца, восстановить оксид или, напротив, полностью окислить железо, пропуская водяной пар и удаляя образующийся водород.

В закрытой системе обратимая реакция доходит только до состояния равновесия, которое при одних и тех же условиях достигается как со стороны исходных веществ, так и со стороны продуктов реакции.

Состояние равновесия существенно зависит от температуры и во многих случаях так сильно сдвинуто в сторону продуктов реакции, что и в закрытой системе реакция идет практически до конца. Например, при 1000 °C парциальные давления водорода и кислорода, находящихся в равновесии с водяным паром, столь малы, что могут быть определены только с помощью специальных методов. В этих условиях реакция 211, + 0₂ = 211,0 идет до конца. Однако уже при 2000 °C парциальные давления водорода и кислорода составляют около 1% общего давления, а при 5000X вода практически нацело разлагается на водород и кислород.

Отметим, что обе реакции — и прямая, и обратная — к состоянию равновесия идут самопроизвольно. Например, при 300 °C равновесное состояние, достигаемое в результате реакции

таково, что парциальные давления всех трех веществ примерно одинаковы. Если приготовить при этой температуре смесь NO + 1 /2()." то в ней самопроизвольно пойдет реакция образования N0₂, но прореагирует только половина исходных веществ. Если же в эти условия поместить чистый NO, то он будет самопроизвольно разлагаться, но разложится только наполовину.

Реакции взаимодействия кислорода с водородом, углеродом, серой, вообще говоря, обратимы, но проводят их обычно в таких условиях, в которых они идут практически до конца.

Однако существуют и необратимые реакции, которые при любых мыслимых условиях самопроизвольно могут идти только в одном направлении. I laпример, ни при каких условиях продукты взрыва черного пороха, т. е. реакции.

не прореагируют самопроизвольно обратно. Именно самопроизвольно. В этом случае для превращения продуктов реакции обратно в исходные вещества надо затратить работу. Даже если взрыв произошел в замкнутом объеме, надо затратить работу на отделение газа от твердого K., S, на разделение СО., и N₂. Надо затратить работу на то, чтобы получить из K₂S и С0₂ простые вещества — серу и углерод, надо окислить азот и вновь получить KNO_;), а потом еще затратить работу на приготовление исходной смеси. Следовательно, получить исходные вещества из продуктов необратимой реакции, безусловно можно, но отнюдь не в результате самопроизвольного процесса.

Вернемся к обратимым реакциям. Чем обусловлено существование предела протекания реакции? В каких случаях возможно самопроизвольное протекание прямой и обратной реакций? Существуют два подхода, позволяющих получить ответы на эти вопросы: кинетический и термодинамический.