Образовака🧪 Химия8 классПростейшие операции с веществом (химический практикум)

Константа равновесия химической реакции

4.8

Средняя оценка: 4.8

Всего получено оценок: 191.

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.

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:

ν_пр = k_пр ∙ [H₂] ∙ [I₂],

где k_пр – 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

ν_обр = k_обр ∙ [HI]².

Йодоводород в квадрате, так как коэффициент молекулы равен двум.

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

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 (ν_пр = ν_обр).

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

K_p = k_пр / k_обр = 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:

ν_пр = k_пр ∙ [A]_p^a ∙ [B]_p^b
ν_обр = k_обр ∙ [C]_p^c ∙ [D]_p^d.

Соответственно, если

ν_пр = ν_обр,

то

k_пр ∙ [A]_p^a ∙ [B]_p^b = k_обр ∙ [C]_p^c ∙ [D]_p^d.

Отсюда можно выразить соотношение констант:

k_обр / k_пр = [C]_p^c ∙ [D]_p^d / [A]_p^a ∙ [B]_p^b.

Это соотношение равно константе равновесия:

K_p = [C]_p^c ∙ [D]_p^d / [A]_p^a ∙ [B]_p^b.

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.