ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Константа равновесия из "Основы теории тепловых процессов и машин Часть 2 Издание 3 " Многие химические реакции не протекают до конца, другими словами, смесь реагентов не полностью превращается в продукты. По прошествии некоторого времени изменение концентраций реагентов прекращается. Реакционная система в таком состоянии представляет собой смесь реагентов и продуктов реакции. Химическая система в таких условиях находится в состоянии так называемого химического равновесия. [c.279] Из всех химических реакций, которые люди научились проводить и контхюлировать для своих нужд, синтез аммиака из водорода и атмосферного азота, вероятно, имеет наибольшее значение. Единственным широко доступным источником азота на земле является атмосферный N2. Таким образом, возникает проблема связывания атмосферного азота, т. е. превращения его в форму, усвояемую растениями. Этот процесс называют еще фиксацией азота. [c.279] Двойная стрелка в этом уравнении указывает на обратимый характер реакции, т. е. на то, что наряду с образованием КНз из N2 и Н2 возможно также разложение аммиака на исходные элементы. [c.280] представляла ли собой исходная система смесь реагентов Нг и N2 в отношении 3 1 или же только чистый КНз. Таким образом, равновесие — это такое состояние системы, к которому можно приблизиться с двух противоположных направлений. Последнее свидетельствует о том, что равновесие не является статическим состоянием. Напротив, в состоянии равновесия протекают как прямая реакция [уравнение (13.21)], приводящая к образованию аммиака, так и обратная реакция, в которой из аммиака образуются Н2 и N2, но только обе реакции идут с совершенно одинаковыми скоростями. По этой причине скорость наблюдаемых изменений в системе оказывается равной нулю. [c.281] Тот факт, что к одним и тем же равновесным условиям можно подойти с двух совершенно различных исходных точек, свидетельствует как раз о том, что мы имеем дело с истинным равновесием. Такое равновесие очень важно отличать от другого состояния, которое иногда называют мета-стабильным (неустойчивым) равновесием. Допустим, что мы поместили в реакционный сосуд смесь N2, Н2 и КНз, но не внесли в нее катализатор. Установив, что концентрации компонентов этой смеси не меняются со временем, мы можем ошибочно заключить, что в системе установилось равновесие, т. е. скорости прямой и обратной реакции одинаковы. Однако скорости только кажутся одинаковыми, потому что они практически равны нулю. Истинное состояние равновесия достигается лишь в результате повышения температуры, которая ускоряет реакцию, или при внесении катализатора. [c.281] Константа равновесия имеет постоянное значение, не зависящее при заданной температуре от исходных концентраций реагентов и продуктов. Не имеет также значения и присутствие в реакционной системе других веществ, если только они не изменяют концентраций какого-либо реагента или продукта в результате химической реакции. Однако значение константы равновесия зависит от температуры. [c.282] Чтобы вычислить значение константы равновесия К, найденные равновесные концентрации нужно подставить в выражение для константы равновесия [уравнение (13.23)]. В тех случаях, когда концентрации измеряются в молях на литр (М), константу равновесия обозначают символом Кс. [c.282] Значение константы равновесия К можно вычислить по известным равновесным концентрациям всех реагентов и продуктов, участвующих в реакции. Такие данные можно получить непосредственно из экспериментальных измерений. [c.282] Следовательно, по мере образования [N2 Нг], из [NHз] реакция будет смещаться в сторону установления равновесия, другими словами, реакция должна протекать справа налево. [c.284] Подставляя произвольные концентрации реагентов и продуктов в выражение для константы равновесия, как было сделано выше, мы получим кажущуюся константу равновесия, которую обозначают буквой (З. Кажущаяся константа равновесия становится равной истинной константе равновесия К только тогда, когда концентрации всех компонентов реакционной системы достигнут своих равновесных значений, Q = К только при равновесии. Мы убедились, что если кажущаяся константа равновесия больше К, то вещества, указанные в правой части химического уравнения реакции, должны реагировать с образованием веществ, указанных в его левой части, другими словами, реакция приближается к равновесному состоянию, смещаясь справа налево. Бели Q К, реакция сдвигается справа налево. И наоборот, если Q К, реакция приближается к равновесному состоянию с образованием дополнительного количества продуктов (смещается слева направо). [c.284] Бели известна константа равновесия некоторой реакции, то можно вычислить концентрации веществ в реакционной смеси при равновесии. Сложность такого расчета зависит от нескольких факторов сложности химического уравнения реакции и от того, какие концентрации уже известны. [c.284] Разрабатывая процесс синтеза аммиака из N2 и Нг, Габер пытался установить, при изменении каких факторов выход МНз )гвеличивается. Определив значения константы равновесия при разных температурах, он вычислил равновесные количества NHз, образующиеся в различных условиях. Результаты некоторых из его расчетов приведены ниже. [c.284] В системе, находящейся в состоянии динамического равновесия, прямой и обратный процессы протекают с одинаковыми скоростями. Изменение условий, в которых находится система, может нарушить состояние равновесия. В результате этого равновесие смещается до тех пор, пока не установится новое равновесие. Принцип Ле Шателье указывает, что смещение равновесия должно происходить в таком направлении, чтобы свести к минимуму или уменьшить влияние воздействия, вызвавшего нарушение равновесия. Следовательно, если в зсимическую систему, находящую в равновесии, добавить какое-либо вещество (реагент или продукт), реакция сместится таким образом, чтобы равновесие восстанавливалось в результате поглощения части добавленного вещества, И наоборот, удаление из равновесной системы какого-либо вещества приводит к смещению равновесия в направлении, соответствующем образованию дополнительного количества данного вещества. [c.285] Например, добавление водорода в равновесную смесь Нг, N2 и КНз должно смещать равновесие системы в таком направлении, чтобы давление водорода уменьшилось в сторону его исходного значения. Это возможно только в том случае, если равновесие смещается в направлении образования дополнительного количества КНз. Одновременно произойдет и некоторое уменьшение количества N2. Добавление в равновесную систему дополнительного количества N2 точно так же вызовет смещение равновесия в сторону образования нового количества аммиака. Вместе с тем если добавить в равновесную систему КНз, то, согласно принципу Ле Шателье, равновесие сместится в направлении, соответствующем снижению концентрации КНз в сторону его исходного значения другими словами, некоторая часть добавленного аммиака должна разложиться на N2 и Н2. [c.285] Поскольку Q К, реакция смещается слева направо, что означает образование дополнительного количества КНз и уменьшение [N2] и [Н2], в результате чего устанавливается новое равновесие, которое по-прежнему описывается константой равновесия К. [c.285] Если из реакционной системы непрерывно удалять образующиеся в ней продукты, реакция будет смещаться в сторону образования все новых и новых продуктов. Сжижая образующийся NHз, можно значительно повысить выход КНз в процессе Габера одновременно с удалением жидкого КНз газообразные N2 и Н2 используются для очередного цикла реакции, что позволяет получить дополнительное количество N113. Если реакцию проводят так, что равновесие не успевает установиться вследствие удаления продуктов, или если константа равновесия имеет очень большую величину. [c.285] Если повышать полное давление системы, находящейся в состоянии равновесия, путем уменьшения ее объема, то система реагирует на это смещением равновесия в сторону уменьшения объема. Практически это означает, что смещение происходит в сторону уменьшения числа молей газа в системе. И наоборот, уменьшение давления в результате увеличения объема приводит к смещению реакции в сторону образования дополнительного количества молекул газа. [c.286] Важно запомнить, что изменение полного давления не приводит к изменению величины константы равновесия К у если только при этом температура остается постоянной. Изменение давления приводит только к изменениям концентраций газообразных веществ. [c.286] Изменения концентраций или полного давления могут вызывать смещение равновесия, но константа равновесия при этом не изменяется. Однако изменения температуры влияют на величину констант равновесия почти всех реакций. [c.286] Вернуться к основной статье