Константа равновесия химической реакции

Количественная характеристика, показывающая направление реакции и смещение концентрации веществ, называется константой равновесия химической реакции. Константа равновесия зависит от температуры и природы реагентов.

Обратимые и необратимые реакции

Все реакции можно разделить на два типа:

  • обратимые, одновременно протекающие в двух взаимно противоположных направлениях;
  • необратимые, протекающие в одном направлении с полным расходом хотя бы одного исходного вещества.

При необратимых реакциях обычно образуются нерастворимые вещества в виде осадка или газа. К таким реакциям относятся:

  • горение:
    C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + H2O;
  • разложение:
    2KMnO4 → K2MnO4 + MnO2 + H2O;
  • присоединение с образованием осадка или газа:
    BaCl2 + Na2SO4 → BaSO4↓ + 2NaCl.

Рис. 1. Образование осадка BaSO4.

Обратимые реакции возможны только в определённых неизменных условиях. Исходные вещества дают новое вещество, которое тут же распадается на составные части и собирается вновь. Например, в результате реакции 2NO + O2 ↔ 2NO2 оксид азота (IV) легко разлагается на оксид азота (II) и кислород.

Равновесие

Через определённое время скорость обратимой реакции замедляется. Достигается химическое равновесие – состояние, при котором не происходит изменения концентрации исходных веществ и продуктов реакции с течением времени, так как скорость прямой и обратной реакций уравниваются. Равновесие возможно только в гомогенных системах, то есть все реагирующие вещества являются либо жидкостями, либо газами.

Рассмотрим химическое равновесие на примере реакции взаимодействия водорода с йодом:

  • прямая реакция –
    H2 + I2 ↔ 2HI;
  • обратная реакция –
    2HI ↔ H2 + I2.

Как только смешиваются два реагента – водород и йод – йодоводорода ещё не существует, так как простые вещества только вступают в реакцию. Большое количество исходных веществ активно реагируют друг с другом, поэтому скорость прямой реакции будет максимальной. При этом обратная реакция не протекает, и скорость её равна нулю.

Скорость прямой реакции можно выразить графически:

νпр = kпр ∙ [H2] ∙ [I2],

где kпр – константа скорости прямой реакции.

Со временем реагенты расходуются, их концентрация снижается. Соответственно, скорость прямой реакции уменьшается. Одновременно с этим увеличивается концентрация нового вещества – йодоводорода. При накоплении он начинает разлагаться, и скорость обратной реакции повышается. Её можно выразить как

νобр = kобр ∙ [HI]2.

Йодоводород в квадрате, так как коэффициент молекулы равен двум.

В определённый момент скорости прямой и обратной реакции уравниваются. Наступает состояние химического равновесия.

График зависимости скорости реакции от времени

Рис. 2. График зависимости скорости реакции от времени.

Равновесие можно сместить либо в сторону исходных веществ, либо в сторону продуктов реакции. Смещение под воздействием внешних факторов называется принципом Ле Шателье. На равновесие влияют температура, давление, концентрация одного из веществ.

Расчёт константы

В состоянии равновесия обе реакции идут, но при этом концентрации веществ находятся в равновесии (образуются равновесные концентрации), так как уравновешенны скорости (νпр = νобр).

Химическое равновесие характеризуется константой химического равновесия, которая выражается сводной формулой:

Kp = kпр / kобр = const.

Константы скорости реакции можно выразить через соотношение скорости реакции. Возьмём условное уравнение обратной реакции:

aA + bB ↔ cC + dD.

Тогда скорости прямой и обратной реакции будут равны:

  • νпр = kпр ∙ [A]pa ∙ [B]pb
  • νобр = kобр ∙ [C]pc ∙ [D]pd.

Соответственно, если

νпр = νобр,

то

kпр ∙ [A]pa ∙ [B]pb = kобр ∙ [C]pc ∙ [D]pd.

Отсюда можно выразить соотношение констант:

kобр / kпр = [C]pc ∙ [D]pd / [A]pa ∙ [B]pb.

Это соотношение равно константе равновесия:

Kp = [C]pc ∙ [D]pd / [A]pa ∙ [B]pb.

Формула константы равновесия

Рис. 3. Формула константы равновесия.

Величина показывает, во сколько раз скорость прямой реакции больше скорости обратной реакции.

Что мы узнали?

Реакции в зависимости от конечных продуктов классифицируются на обратимые и необратимые. Обратимые реакции протекают в обе стороны: исходные вещества образуют конечные продукты, которые разлагаются на исходные вещества. В ходе реакции скорости прямой и обратной реакций уравновешиваются. Такое состояние называется химическим равновесием. Оно может быть выражено как соотношение произведения равновесных концентраций продуктов реакции к произведению разновесных концентраций исходных веществ.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.8. Всего получено оценок: 271.

Предметы