Reversibilità delle reazioni chimiche, equilibrio chimico. Effetto della temperatura sull'equilibrio chimico

L'equilibrio chimico viene mantenuto finché le condizioni in cui si trova il sistema rimangono invariate. Il cambiamento delle condizioni (concentrazione di sostanze, temperatura, pressione) provoca uno squilibrio. Dopo un po ', l'equilibrio chimico viene ripristinato, ma in condizioni nuove, diverse da quelle precedenti. Viene chiamata tale transizione di un sistema da uno stato di equilibrio a un altro Dislocamento(spostamento) dell'equilibrio. La direzione dello spostamento obbedisce al principio di Le Chatelier.

All'aumentare della concentrazione di una delle sostanze di partenza, l'equilibrio si sposta verso un maggiore consumo di questa sostanza e la reazione diretta si intensifica. Una diminuzione della concentrazione delle sostanze di partenza sposta l'equilibrio verso la formazione di queste sostanze, poiché la reazione inversa si intensifica. Un aumento della temperatura sposta l’equilibrio verso una reazione endotermica, mentre una diminuzione della temperatura sposta l’equilibrio verso una reazione esotermica. Un aumento della pressione sposta l'equilibrio verso quantità decrescenti di sostanze gassose, cioè verso volumi minori occupati da questi gas. Al contrario, al diminuire della pressione, l'equilibrio si sposta verso quantità crescenti di sostanze gassose, cioè verso volumi maggiori formati da gas.

Esempio 1.

In che modo un aumento di pressione influenzerà lo stato di equilibrio delle seguenti reazioni reversibili del gas:

a) SO2 + C12 =SO2CI2;

b) H2 + Br2 = 2НВr.

Soluzione:

Utilizziamo il principio di Le Chatelier, secondo il quale un aumento di pressione nel primo caso (a) sposta l'equilibrio a destra, verso una minore quantità di sostanze gassose che occupano un volume minore, il che indebolisce l'influenza esterna dell'aumento di pressione. Nella seconda reazione (b), le quantità di sostanze gassose, sia le materie prime che i prodotti di reazione, sono uguali, così come i volumi che occupano, quindi la pressione non ha alcun effetto e l'equilibrio non viene disturbato.

Esempio 2.

Nella reazione di sintesi dell'ammoniaca (–Q) 3H 2 + N 2 = 2NH 3 + Q, la reazione diretta è esotermica, la reazione inversa è endotermica. Come si dovrebbe modificare la concentrazione dei reagenti, la temperatura e la pressione per aumentare la resa di ammoniaca?

Soluzione:

Per spostare l'equilibrio a destra è necessario:

a) aumentare le concentrazioni di H 2 e N 2;

b) ridurre la concentrazione (rimozione dalla sfera di reazione) di NH 3;

c) abbassare la temperatura;

d) aumentare la pressione.

Esempio 3.

La reazione omogenea tra acido cloridrico e ossigeno è reversibile:

4HC1 + O2 = 2C12 + 2H2O + 116 kJ.

1. Che effetto avranno sull’equilibrio del sistema?

a) aumento della pressione;

b) aumento della temperatura;

c) introduzione di un catalizzatore?

Soluzione:

a) Secondo il principio di Le Chatelier, un aumento della pressione porta ad uno spostamento dell'equilibrio verso la reazione diretta.

b) Un aumento di t° porta ad uno spostamento dell'equilibrio verso la reazione inversa.

c) L'introduzione di un catalizzatore non sposta l'equilibrio.

2. In quale direzione si sposterà l'equilibrio chimico se la concentrazione dei reagenti raddoppia?

Soluzione:

υ → = k → 0 2 0 2 ; υ 0 ← = k ← 0 2 0 2

Dopo aver aumentato le concentrazioni, la velocità della reazione diretta è diventata:

υ → = k → 4 = 32 k → 0 4 0

cioè è aumentata di 32 volte rispetto alla velocità iniziale. Allo stesso modo, la velocità della reazione inversa aumenta di 16 volte:

υ ← = k ← 2 2 = 16k ← [H 2 O] 0 2 [C1 2 ] 0 2 .

L'aumento della velocità della reazione diretta è 2 volte maggiore dell'aumento della velocità della reazione inversa: l'equilibrio si sposta a destra.

Esempio 4.

IN Da che parte si sposterà l’equilibrio di una reazione omogenea:

PCl5 = PC13 + Cl2 + 92 KJ,

se aumenti la temperatura di 30 °C, sapendo che il coefficiente di temperatura della reazione diretta è 2,5 e quello della reazione inversa è 3,2?

Soluzione:

Poiché i coefficienti di temperatura delle reazioni dirette e inverse non sono uguali, l'aumento della temperatura avrà effetti diversi sulla variazione della velocità di queste reazioni. Utilizzando la regola di Van't Hoff (1.3), troviamo la velocità delle reazioni dirette e inverse quando la temperatura aumenta di 30 °C:

υ → (t 2) = υ → (t 1)=υ → (t 1)2,5 0,1 30 = 15,6υ → (t 1);

υ ← (t 2) = υ ← (t 1) =υ → (t 1)3,2 0,1 30 = 32,8υ ← (t 1)

Un aumento della temperatura ha aumentato la velocità della reazione diretta di 15,6 volte e quella della reazione inversa di 32,8 volte. Di conseguenza, l’equilibrio si sposterà a sinistra, verso la formazione di PCl 5.

Esempio 5.

Come cambieranno le velocità delle reazioni dirette e inverse nel sistema isolato C 2 H 4 + H 2 ⇄ C 2 H 6 e dove si sposterà l'equilibrio quando il volume del sistema aumenterà di 3 volte?

Soluzione:

Le velocità iniziali delle reazioni dirette e inverse sono le seguenti:

υ 0 = k 0 0 ; υ 0 = k 0 .

Un aumento del volume del sistema provoca una diminuzione delle concentrazioni dei reagenti di 3 volte, quindi la variazione della velocità delle reazioni dirette e inverse sarà la seguente:

υ 0 = k = 1/9υ 0

υ = k = 1/3υ 0

La diminuzione della velocità delle reazioni dirette e inverse non è la stessa: la velocità della reazione inversa è 3 volte (1/3: 1/9 = 3) superiore alla velocità della reazione inversa, quindi l'equilibrio si sposterà a a sinistra, verso il lato dove il sistema occupa un volume maggiore, cioè verso la formazione di C 2 H 4 e H 2.

Se un sistema è in uno stato di equilibrio, vi rimarrà finché le condizioni esterne rimangono costanti. Se le condizioni cambiano, il sistema andrà fuori equilibrio - le velocità dei processi diretti e inversi cambieranno in modo diseguale - si verificherà una reazione. I più importanti sono i casi di squilibrio dovuti a cambiamenti nella concentrazione di una qualsiasi delle sostanze coinvolte nell'equilibrio, pressione o temperatura.

Consideriamo ciascuno di questi casi.

Disturbo dell'equilibrio dovuto a un cambiamento nella concentrazione di una qualsiasi delle sostanze che partecipano alla reazione. Lascia che l'idrogeno, l'acido iodidrico e il vapore di iodio siano in equilibrio tra loro a una certa temperatura e pressione. Introduciamo una quantità aggiuntiva di idrogeno nel sistema. Secondo la legge dell'azione di massa, un aumento della concentrazione di idrogeno comporterà un aumento della velocità della reazione diretta - la reazione di sintesi HI, mentre la velocità della reazione inversa non cambierà. La reazione ora procederà più velocemente nella direzione in avanti che nella direzione opposta. Di conseguenza, le concentrazioni di vapore di idrogeno e iodio diminuiranno, il che rallenterà la reazione diretta, e la concentrazione di HI aumenterà, il che accelererà la reazione inversa. Dopo un po’ di tempo, le velocità delle reazioni dirette e inverse torneranno ad essere uguali e verrà stabilito un nuovo equilibrio. Ma allo stesso tempo, la concentrazione di HI sarà ora più alta di quanto non fosse prima dell'aggiunta, e la concentrazione sarà più bassa.

Il processo di modifica delle concentrazioni causato da uno squilibrio è chiamato spostamento o spostamento dell’equilibrio. Se allo stesso tempo c'è un aumento delle concentrazioni di sostanze sul lato destro dell'equazione (e, ovviamente, allo stesso tempo una diminuzione delle concentrazioni di sostanze a sinistra), allora dicono che l'equilibrio si sposta a destra, cioè nella direzione della reazione diretta; quando le concentrazioni cambiano nella direzione opposta, si parla di uno spostamento dell'equilibrio a sinistra, nella direzione della reazione inversa. Nell’esempio considerato, l’equilibrio si è spostato a destra. Allo stesso tempo, la sostanza, il cui aumento della concentrazione ha causato uno squilibrio, è entrata in una reazione: la sua concentrazione è diminuita.

Pertanto, con l'aumento della concentrazione di una qualsiasi delle sostanze partecipanti all'equilibrio, l'equilibrio si sposta verso il consumo di questa sostanza; Quando la concentrazione di una sostanza diminuisce, l'equilibrio si sposta verso la formazione di questa sostanza.

Disturbo dell'equilibrio dovuto a cambiamenti di pressione (diminuendo o aumentando il volume del sistema). Quando i gas sono coinvolti in una reazione, l'equilibrio può essere interrotto quando cambia il volume del sistema.

Consideriamo l'effetto della pressione sulla reazione tra monossido di azoto e ossigeno:

Lascia che una miscela di gas sia in equilibrio chimico ad una certa temperatura e pressione. Senza modificare la temperatura, aumentiamo la pressione in modo che il volume del sistema diminuisca di 2 volte. Nel primo momento, le pressioni parziali e le concentrazioni di tutti i gas raddoppieranno, ma allo stesso tempo cambierà il rapporto tra la velocità delle reazioni dirette e quelle inverse: l'equilibrio verrà interrotto.

Infatti, prima che la pressione aumentasse, le concentrazioni di gas avevano valori di equilibrio, e , e le velocità delle reazioni diretta e inversa erano le stesse ed erano determinate dalle equazioni:

Nel primo istante dopo la compressione, le concentrazioni di gas raddoppieranno rispetto ai valori iniziali e saranno rispettivamente pari a , e . In questo caso, le velocità delle reazioni dirette e inverse saranno determinate dalle equazioni:

Pertanto, a seguito dell'aumento della pressione, la velocità della reazione diretta è aumentata di 8 volte e quella della reazione inversa solo di 4 volte. L’equilibrio nel sistema verrà interrotto: la reazione diretta prevarrà su quella inversa. Una volta che le velocità saranno uguali, l’equilibrio verrà ristabilito, ma la quantità nel sistema aumenterà e l’equilibrio si sposterà verso destra.

È facile vedere che la variazione disuguale nella velocità delle reazioni dirette e inverse è dovuta al fatto che sui lati sinistro e destro dell'equazione della reazione in esame il numero di molecole di gas è diverso: una molecola di ossigeno e due molecole di monossido di azoto (tre molecole di gas in totale) vengono convertite in due molecole di gas: il biossido di azoto. La pressione di un gas è il risultato dell'impatto delle sue molecole contro le pareti del contenitore; a parità di altre condizioni, maggiore è il numero di molecole contenute in un dato volume di gas, maggiore è la pressione del gas. Pertanto, una reazione che avviene con un aumento del numero di molecole di gas porta ad un aumento della pressione e una reazione che avviene con una diminuzione del numero di molecole di gas porta ad una diminuzione della pressione.

Tenendo presente ciò, la conclusione sull’effetto della pressione sull’equilibrio chimico può essere formulata come segue:

Quando la pressione aumenta comprimendo il sistema, l'equilibrio si sposta verso una diminuzione del numero di molecole di gas, cioè verso una diminuzione della pressione, quando la pressione diminuisce, l'equilibrio si sposta verso un aumento del numero di molecole di gas, cioè verso un aumento della pressione.

Nel caso in cui la reazione procede senza modificare il numero di molecole di gas, l'equilibrio non viene disturbato durante la compressione o l'espansione del sistema. Ad esempio, nel sistema

l'equilibrio non viene disturbato al variare del volume; l'uscita HI è indipendente dalla pressione.

Disturbo dell'equilibrio dovuto a variazioni di temperatura. L’equilibrio della stragrande maggioranza delle reazioni chimiche si sposta con i cambiamenti di temperatura. Il fattore che determina la direzione dello spostamento dell'equilibrio è il segno dell'effetto termico della reazione. Si può dimostrare che quando la temperatura aumenta l'equilibrio si sposta nella direzione della reazione endotermica e quando diminuisce nella direzione della reazione esotermica.

Pertanto, la sintesi dell'ammoniaca è una reazione esotermica

Pertanto, all'aumentare della temperatura, l'equilibrio nel sistema si sposta a sinistra, verso la decomposizione dell'ammoniaca, poiché questo processo avviene con l'assorbimento di calore.

Al contrario, la sintesi dell'ossido nitrico (II) è una reazione endotermica:

Pertanto, all'aumentare della temperatura, l'equilibrio nel sistema si sposta a destra, verso la formazione.

I modelli che compaiono negli esempi considerati di disturbi dell'equilibrio chimico sono casi speciali del principio generale che determina l'influenza di vari fattori sui sistemi di equilibrio. Questo principio, noto come principio di Le Chatelier, quando applicato agli equilibri chimici, può essere formulato come segue:

Se viene esercitato un impatto su un sistema in equilibrio, a seguito dei processi che si verificano in esso, l'equilibrio si sposterà in una direzione tale che l'impatto diminuirà.

Infatti, quando una delle sostanze partecipanti alla reazione viene introdotta nel sistema, l'equilibrio si sposta verso il consumo di tale sostanza. “Quando la pressione aumenta, si sposta in modo tale che la pressione nel sistema diminuisce; quando la temperatura aumenta, l'equilibrio si sposta verso la reazione endotermica: la temperatura nel sistema diminuisce;

Il principio di Le Chatelier si applica non solo agli equilibri chimici, ma anche a vari equilibri fisico-chimici. Uno spostamento dell’equilibrio quando le condizioni di processi come l’ebollizione, la cristallizzazione e la dissoluzione cambiano secondo il principio di Le Chatelier.

Le reazioni chimiche possono essere reversibili o irreversibili.

quelli. se una reazione A + B = C + D è irreversibile, ciò significa che la reazione inversa C + D = A + B non si verifica.

cioè, ad esempio, se una certa reazione A + B = C + D è reversibile, ciò significa che sia la reazione A + B → C + D (diretta) che la reazione C + D → A + B (inversa) avvengono contemporaneamente ).

Essenzialmente, perché Si verificano sia reazioni dirette che inverse; nel caso di reazioni reversibili, sia le sostanze a sinistra dell'equazione che quelle a destra dell'equazione possono essere chiamate reagenti (sostanze di partenza). Lo stesso vale per i prodotti.

Per qualsiasi reazione reversibile, è possibile una situazione in cui le velocità delle reazioni dirette e inverse sono uguali. Questa condizione è chiamata stato di equilibrio.

All’equilibrio, le concentrazioni di tutti i reagenti e di tutti i prodotti sono costanti. Vengono chiamate le concentrazioni di prodotti e reagenti all'equilibrio concentrazioni di equilibrio.

Spostamento dell'equilibrio chimico sotto l'influenza di vari fattori

A causa di influssi esterni sul sistema, come cambiamenti di temperatura, pressione o concentrazione di sostanze o prodotti di partenza, l'equilibrio del sistema può essere interrotto. Tuttavia, dopo la cessazione di questa influenza esterna, il sistema, dopo un po’ di tempo, si sposterà verso un nuovo stato di equilibrio. Viene chiamata tale transizione di un sistema da uno stato di equilibrio a un altro stato di equilibrio spostamento (spostamento) dell'equilibrio chimico .

Per poter determinare come si sposta l’equilibrio chimico sotto un particolare tipo di influenza, è conveniente utilizzare il principio di Le Chatelier:

Se viene esercitata un'influenza esterna su un sistema in uno stato di equilibrio, la direzione dello spostamento dell'equilibrio chimico coinciderà con la direzione della reazione che indebolisce l'effetto dell'influenza.

L'influenza della temperatura sullo stato di equilibrio

Quando la temperatura cambia, l’equilibrio di qualsiasi reazione chimica cambia. Ciò è dovuto al fatto che qualsiasi reazione ha un effetto termico. Inoltre, gli effetti termici delle reazioni diretta e inversa sono sempre direttamente opposti. Quelli. se la reazione diretta è esotermica e procede con un effetto termico pari a +Q, allora la reazione inversa è sempre endotermica e ha un effetto termico pari a –Q.

Pertanto, secondo il principio di Le Chatelier, se aumentiamo la temperatura di un sistema che è in uno stato di equilibrio, l'equilibrio si sposterà verso la reazione durante la quale la temperatura diminuisce, cioè verso una reazione endotermica. E allo stesso modo, se abbassiamo la temperatura del sistema in uno stato di equilibrio, l'equilibrio si sposterà verso la reazione, a seguito della quale la temperatura aumenterà, ad es. verso una reazione esotermica.

Ad esempio, considera la seguente reazione reversibile e indica dove si sposterà il suo equilibrio al diminuire della temperatura:

Come si può vedere dall'equazione sopra, la reazione diretta è esotermica, cioè Come risultato del suo verificarsi, viene rilasciato calore. Di conseguenza la reazione inversa sarà endotermica, cioè avverrà con assorbimento di calore. A seconda della condizione, la temperatura diminuisce, quindi l'equilibrio si sposterà a destra, cioè verso una reazione diretta.

Effetto della concentrazione sull'equilibrio chimico

Un aumento della concentrazione dei reagenti secondo il principio di Le Chatelier dovrebbe portare ad uno spostamento dell'equilibrio verso la reazione a seguito della quale i reagenti vengono consumati, cioè verso una reazione diretta.

E viceversa, se la concentrazione dei reagenti diminuisce, l'equilibrio si sposterà verso la reazione a seguito della quale si formano i reagenti, ad es. lato della reazione inversa (←).

Anche una variazione nella concentrazione dei prodotti di reazione ha un effetto simile. Se la concentrazione dei prodotti aumenta, l’equilibrio si sposterà verso la reazione a seguito della quale i prodotti vengono consumati, ad es. verso la reazione inversa (←). Se, al contrario, la concentrazione dei prodotti diminuisce, allora l'equilibrio si sposterà verso la reazione diretta (→), per cui la concentrazione dei prodotti aumenta.

Effetto della pressione sull'equilibrio chimico

A differenza della temperatura e della concentrazione, i cambiamenti di pressione non influenzano lo stato di equilibrio di ogni reazione. Affinché una variazione di pressione porti a uno spostamento dell'equilibrio chimico, le somme dei coefficienti delle sostanze gassose sui lati sinistro e destro dell'equazione devono essere diverse.

Quelli. di due reazioni:

una variazione di pressione può influenzare lo stato di equilibrio solo nel caso della seconda reazione. Poiché la somma dei coefficienti davanti alle formule delle sostanze gassose nel caso della prima equazione a sinistra e a destra è la stessa (pari a 2), e nel caso della seconda equazione è diversa (4 a destra sinistra e 2 a destra).

Da qui, in particolare, ne consegue che se sia tra i reagenti che tra i prodotti non sono presenti sostanze gassose, una variazione di pressione non influenzerà in alcun modo l'attuale stato di equilibrio. Ad esempio, la pressione non influenzerà lo stato di equilibrio della reazione:

Se a sinistra e a destra la quantità di sostanze gassose differisce, un aumento della pressione porterà a uno spostamento dell'equilibrio verso la reazione durante la quale il volume dei gas diminuisce e una diminuzione della pressione porterà a uno spostamento del equilibrio, a seguito del quale il volume dei gas aumenta.

Effetto di un catalizzatore sull'equilibrio chimico

Poiché un catalizzatore accelera ugualmente sia le reazioni dirette che quelle inverse, la sua presenza o assenza non ha alcun effetto ad uno stato di equilibrio.

L'unica cosa che un catalizzatore può influenzare è la velocità di transizione del sistema da uno stato di non equilibrio a uno di equilibrio.

L'impatto di tutti i fattori di cui sopra sull'equilibrio chimico è riassunto di seguito in un foglietto illustrativo, che puoi inizialmente consultare quando esegui attività di equilibrio. Tuttavia, non sarà possibile utilizzarlo durante l'esame, quindi dopo aver analizzato diversi esempi con il suo aiuto, dovresti impararlo ed esercitarti a risolvere i problemi di equilibrio senza guardarlo:

Designazioni: T - temperatura, P - pressione, Con – concentrazione, – aumento, ↓ – diminuzione

9. Velocità della reazione chimica. Equilibrio chimico

9.2. Equilibrio chimico e suo spostamento

La maggior parte delle reazioni chimiche sono reversibili, cioè fluiscono simultaneamente sia nella direzione della formazione dei prodotti che nella direzione della loro decomposizione (da sinistra a destra e da destra a sinistra).

Esempi di equazioni di reazione per processi reversibili:

N2+3H2⇄t°,p,cat2NH3

2SO 2 + O 2 ⇄ t ° , p , cat 2SO 3

H2+I2⇄t°2HI

Le reazioni reversibili sono caratterizzate da uno stato speciale chiamato stato di equilibrio chimico.

Equilibrio chimico- questo è uno stato del sistema in cui le velocità delle reazioni dirette e inverse diventano uguali. Quando ci si sposta verso l'equilibrio chimico, la velocità della reazione diretta e la concentrazione dei reagenti diminuiscono, mentre aumentano la reazione inversa e la concentrazione dei prodotti.

In uno stato di equilibrio chimico, per unità di tempo si forma tanto prodotto quanto viene decomposto. Di conseguenza, le concentrazioni di sostanze in uno stato di equilibrio chimico non cambiano nel tempo. Tuttavia, ciò non significa affatto che le concentrazioni di equilibrio o le masse (volumi) di tutte le sostanze siano necessariamente uguali tra loro (vedi Fig. 9.8 e 9.9). L'equilibrio chimico è un equilibrio dinamico (mobile) che può rispondere alle influenze esterne.

La transizione di un sistema di equilibrio da uno stato di equilibrio a un altro è chiamata spostamento o spostamento dell’equilibrio. In pratica si parla di uno spostamento dell'equilibrio verso i prodotti della reazione (a destra) o verso le sostanze di partenza (a sinistra); una reazione diretta è quella che avviene da sinistra a destra, mentre una reazione inversa avviene da destra a sinistra. Lo stato di equilibrio è indicato da due frecce dirette in senso opposto: ⇄.

Il principio dello spostamento dell’equilibrio fu formulata dallo scienziato francese Le Chatelier (1884): un'influenza esterna su un sistema in equilibrio porta a uno spostamento di questo equilibrio in una direzione che indebolisce l'effetto dell'influenza esterna

Formuliamo le regole di base per spostare l’equilibrio.

Effetto della concentrazione: quando la concentrazione di una sostanza aumenta, l'equilibrio si sposta verso il suo consumo, e quando diminuisce, verso la sua formazione.

Ad esempio, con l'aumento della concentrazione di H2 in una reazione reversibile

H2(g) + I2(g) ⇄ 2HI (g)

la velocità della reazione diretta, a seconda della concentrazione di idrogeno, aumenterà. Di conseguenza, l’equilibrio si sposterà a destra. Man mano che la concentrazione di H 2 diminuisce, la velocità della reazione diretta diminuirà e di conseguenza l'equilibrio del processo si sposterà a sinistra.

Effetto della temperatura: Quando la temperatura aumenta l'equilibrio si sposta verso la reazione endotermica, mentre quando la temperatura diminuisce si sposta verso la reazione esotermica.

È importante ricordare che all'aumentare della temperatura aumenta la velocità sia delle reazioni eso che endotermiche, ma la reazione endotermica aumenta più volte, per cui E a è sempre maggiore. Quando la temperatura diminuisce, la velocità di entrambe le reazioni diminuisce, ma ancora un numero maggiore di volte: endotermica. È conveniente illustrare ciò con un diagramma in cui il valore della velocità è proporzionale alla lunghezza delle frecce e l'equilibrio si sposta nella direzione della freccia più lunga.

Effetto della pressione: Una variazione di pressione influenza lo stato di equilibrio solo quando i gas sono coinvolti nella reazione, e anche quando la sostanza gassosa si trova solo su un lato dell'equazione chimica. Esempi di equazioni di reazione:

• la pressione influenza lo spostamento dell’equilibrio:

3H 2 (g) + N 2 (g) ⇄ 2NH 3 (g),

CaO (tv) + CO 2 (g) ⇄ CaCO 3 (tv);

• la pressione non influenza lo spostamento dell’equilibrio:

Cu (tv) + S (tv) = CuS (tv),

NaOH (soluzione) + HCl (soluzione) = NaCl (soluzione) + H 2 O (l).

Quando la pressione diminuisce l'equilibrio si sposta verso la formazione di una maggiore quantità chimica di sostanze gassose, mentre quando aumenta l'equilibrio si sposta verso la formazione di una minore quantità chimica di sostanze gassose. Se le quantità chimiche dei gas in entrambi i lati dell'equazione sono le stesse, la pressione non influisce sullo stato di equilibrio chimico:

H2(g) + Cl2(g) = 2HCl (g).

Questo è facile da capire, dato che l'effetto di una variazione di pressione è simile all'effetto di una variazione di concentrazione: con un aumento della pressione n volte, la concentrazione di tutte le sostanze in equilibrio aumenta della stessa quantità (e viceversa ).

Effetto del volume del sistema di reazione: una variazione di volume del sistema di reazione è associata a una variazione di pressione e influenza solo lo stato di equilibrio delle reazioni che coinvolgono sostanze gassose. Una diminuzione del volume significa un aumento della pressione e sposta l'equilibrio verso la formazione di meno gas chimici. Un aumento del volume del sistema porta ad una diminuzione della pressione e uno spostamento dell'equilibrio verso la formazione di una maggiore quantità chimica di sostanze gassose.

L'introduzione di un catalizzatore in un sistema di equilibrio o un cambiamento nella sua natura non sposta l'equilibrio (non aumenta la resa del prodotto), poiché il catalizzatore accelera nella stessa misura sia le reazioni dirette che quelle inverse. Ciò è dovuto al fatto che il catalizzatore riduce ugualmente l'energia di attivazione dei processi diretti e inversi. Allora perché usano un catalizzatore nei processi reversibili? Il fatto è che l'uso di un catalizzatore nei processi reversibili contribuisce al rapido raggiungimento dell'equilibrio e ciò aumenta l'efficienza della produzione industriale.

Esempi specifici dell'influenza di vari fattori sullo spostamento dell'equilibrio sono forniti nella tabella. 9.1 per la reazione di sintesi dell'ammoniaca che avviene con cessione di calore. In altre parole, la reazione diretta è esotermica e la reazione inversa è endotermica.

Tabella 9.1

L'influenza di vari fattori sullo spostamento dell'equilibrio della reazione di sintesi dell'ammoniaca

Esempio 9.3. In uno stato di equilibrio del processo

2SO 2 (g) + O 2 (g) ⇄ 2SO 3 (g)

le concentrazioni delle sostanze (mol/dm 3) SO 2, O 2 e SO 3 sono rispettivamente 0,6, 0,4 e 0,2. Trova le concentrazioni iniziali di SO 2 e O 2 (la concentrazione iniziale di SO 3 è zero).

Soluzione. Durante la reazione vengono quindi consumati SO 2 e O 2

c out (SO 2) = c uguale (SO 2) + c out (SO 2),

c fuori (O 2) = c uguale (O 2) + c fuori (O 2).

Il valore di c speso si trova utilizzando c (SO 3):

x = 0,2 mol/dm3.

c out (SO 2) = 0,6 + 0,2 = 0,8 (mol/dm 3).

y = 0,1 mol/dm3.

c out (O 2) = 0,4 + 0,1 = 0,5 (mol/dm 3).

Risposta: 0,8 mol/dm 3 SO 2; 0,5 mol/dm3O2.

Quando si eseguono compiti d'esame, l'influenza di vari fattori, da un lato, sulla velocità di reazione e, dall'altro, sullo spostamento dell'equilibrio chimico, viene spesso confusa.

Per un processo reversibile

con l'aumentare della temperatura aumenta la velocità delle reazioni sia dirette che inverse; al diminuire della temperatura diminuisce la velocità delle reazioni sia dirette che inverse;

con l'aumentare della pressione, aumentano le velocità di tutte le reazioni che si verificano con la partecipazione dei gas, sia dirette che inverse. Quando la pressione diminuisce, diminuisce la velocità di tutte le reazioni che si verificano con la partecipazione di gas, sia dirette che inverse;

l'introduzione di un catalizzatore nel sistema o la sua sostituzione con un altro catalizzatore non sposta l'equilibrio.

Esempio 9.4. Si verifica un processo reversibile, descritto dall'equazione

N2(g) + 3H2 (g) ⇄ 2NH3 (g) + Q

Considera quali fattori: 1) aumentano la velocità di sintesi della reazione dell'ammoniaca; 2) sposta l'equilibrio a destra:

a) diminuzione della temperatura;

b) aumento della pressione;

c) diminuzione della concentrazione di NH 3;

d) utilizzo di un catalizzatore;

e) aumento della concentrazione di N 2.

Soluzione. I fattori b), d) ed e) aumentano la velocità di reazione della sintesi dell'ammoniaca (oltre all'aumento della temperatura, all'aumento della concentrazione di H 2); spostare l'equilibrio a destra - a), b), c), e).

Risposta: 1) b, d, d; 2) a, b, c, d.

Esempio 9.5. Di seguito è riportato il diagramma energetico di una reazione reversibile

Elenca tutte le affermazioni vere:

a) la reazione inversa procede più velocemente della reazione diretta;

b) all'aumentare della temperatura, la velocità della reazione inversa aumenta più volte rispetto alla reazione diretta;

c) avviene una reazione diretta con assorbimento di calore;

d) il coefficiente di temperatura γ è maggiore per la reazione inversa.

Soluzione.

a) L'affermazione è corretta, poiché E arr = 500 − 300 = 200 (kJ) è inferiore a E arr = 500 − 200 = 300 (kJ).

b) L'affermazione è errata; la velocità della reazione diretta per la quale E a è maggiore aumenta di un numero maggiore di volte.

c) L'affermazione è corretta, Q pr = 200 − 300 = −100 (kJ).

d) L'affermazione non è corretta, γ è maggiore per una reazione diretta, nel qual caso E a è maggiore.

Risposta: a), c).

Articolo principale: Principio di Le Chatelier-Brown

La posizione dell'equilibrio chimico dipende dai seguenti parametri di reazione: temperatura, pressione e concentrazione. L'influenza che questi fattori hanno su una reazione chimica è soggetta ad uno schema che fu espresso in termini generali nel 1885 dallo scienziato francese Le Chatelier.

Fattori che influenzano l’equilibrio chimico:

1) temperatura

All'aumentare della temperatura l'equilibrio chimico si sposta verso la reazione endotermica (assorbimento) e quando diminuisce verso la reazione esotermica (rilascio).

CaCO 3 =CaO+CO 2 -Qt →, t↓ ←

N 2 +3H 2 ↔2NH 3 +Qt←, t↓ →

2) pressione

All’aumentare della pressione, l’equilibrio chimico si sposta verso un volume minore di sostanze, mentre quando la pressione diminuisce verso un volume maggiore. Questo principio si applica solo ai gas, ad es. Se nella reazione sono coinvolti dei solidi, questi non vengono presi in considerazione.

CaCO 3 =CaO+CO 2 P←, P↓→

1mol=1mol+1mol

3) concentrazione delle sostanze di partenza e dei prodotti di reazione

Con l'aumento della concentrazione di una delle sostanze di partenza, l'equilibrio chimico si sposta verso i prodotti di reazione, e con l'aumento della concentrazione dei prodotti di reazione, verso le sostanze di partenza.

S 2 +2O 2 =2SO 2 [S],[O] →, ←

I catalizzatori non influenzano lo spostamento dell’equilibrio chimico!

Caratteristiche quantitative fondamentali dell'equilibrio chimico: costante di equilibrio chimico, grado di conversione, grado di dissociazione, resa all'equilibrio. Spiegare il significato di queste quantità utilizzando l'esempio di reazioni chimiche specifiche.

Nella termodinamica chimica, la legge dell'azione di massa mette in relazione le attività di equilibrio delle sostanze di partenza e dei prodotti di reazione, secondo la relazione:

Attività delle sostanze. Al posto dell'attività si possono utilizzare concentrazione (per una reazione in una soluzione ideale), pressioni parziali (una reazione in una miscela di gas ideali), fugacità (una reazione in una miscela di gas reali);

Coefficiente stechiometrico (negativo per le sostanze di partenza, positivo per i prodotti);

Costante di equilibrio chimico. Il pedice "a" qui indica l'uso del valore dell'attività nella formula.

L'efficienza di una reazione viene solitamente valutata calcolando la resa del prodotto di reazione (sezione 5.11). Allo stesso tempo, l'efficienza della reazione può anche essere valutata determinando quale parte della sostanza più importante (solitamente la più costosa) è stata convertita nel prodotto di reazione target, ad esempio, quale parte di SO 2 è stata convertita in SO 3 durante la produzione di acido solforico, cioè trova grado di conversione sostanza originaria.

Facciamo un breve diagramma della reazione in corso

Quindi il grado di conversione della sostanza A nella sostanza B (A) è determinato dalla seguente equazione

Dove N proreact (A) – la quantità di sostanza del reagente A che ha reagito per formare il prodotto B, e N iniziale (A) – quantità iniziale di reagente A.

Naturalmente, il grado di trasformazione può essere espresso non solo dalla quantità di una sostanza, ma anche da qualsiasi quantità ad essa proporzionale: numero di molecole (unità formula), massa, volume.

Se il reagente A scarseggia e la perdita del prodotto B può essere trascurata, il grado di conversione del reagente A è solitamente uguale alla resa del prodotto B

Fanno eccezione le reazioni in cui la sostanza di partenza viene ovviamente consumata per formare più prodotti. Quindi, ad esempio, nella reazione

Cl2 + 2KOH = KCl + KClO + H2O

il cloro (reagente) viene convertito equamente in cloruro di potassio e ipoclorito di potassio. In questa reazione, anche con una resa del 100% di KClO, il grado di conversione del cloro in esso è del 50%.

La quantità che conosci - il grado di protolisi (sezione 12.4) - è un caso speciale del grado di conversione:

Nell'ambito di TED vengono chiamate quantità simili grado di dissociazione acidi o basi (indicato anche come grado di protolisi). Il grado di dissociazione è legato alla costante di dissociazione secondo la legge di diluizione di Ostwald.

Nell'ambito della stessa teoria, l'equilibrio dell'idrolisi è caratterizzato da grado di idrolisi (H), e vengono utilizzate le seguenti espressioni che la mettono in relazione con la concentrazione iniziale della sostanza ( Con) e costanti di dissociazione degli acidi deboli (K HA) e delle basi deboli formate durante l'idrolisi ( K MOH):

La prima espressione è valida per l'idrolisi di un sale di un acido debole, la seconda per i sali di una base debole e la terza per i sali di un acido debole e una base debole. Tutte queste espressioni possono essere utilizzate solo per soluzioni diluite con un grado di idrolisi non superiore a 0,05 (5%).

Tipicamente, il rendimento di equilibrio è determinato da una costante di equilibrio nota, con la quale è correlato in ogni caso specifico da un certo rapporto.

La resa del prodotto può essere modificata spostando l'equilibrio della reazione in processi reversibili, sotto l'influenza di fattori quali temperatura, pressione, concentrazione.

Secondo il principio di Le Chatelier, il grado di conversione all'equilibrio aumenta all'aumentare della pressione durante reazioni semplici, e in altri casi il volume della miscela di reazione non cambia e la resa del prodotto non dipende dalla pressione.

L'effetto della temperatura sulla resa all'equilibrio, nonché sulla costante di equilibrio, è determinato dal segno dell'effetto termico della reazione.

Per una valutazione più completa dei processi reversibili, viene utilizzata la cosiddetta resa dal teorico (resa dall'equilibrio), pari al rapporto tra il prodotto effettivamente ottenuto e la quantità che si otterrebbe in uno stato di equilibrio.

DISSOCIAZIONE TERMICA chimica

reazione di decomposizione reversibile di una sostanza causata da un aumento della temperatura.

Quando Etc., da una sostanza si formano più (2H2H+ OCaO + CO) o una sostanza più semplice

L’equilibrio ecc. è stabilito secondo la legge dell’azione di massa. Esso

può essere caratterizzato da una costante di equilibrio o dal grado di dissociazione

(il rapporto tra il numero di molecole decadute e il numero totale di molecole). IN

Nella maggior parte dei casi, ecc. è accompagnato dall'assorbimento di calore (aumento

entalpia

DN>0); quindi, secondo il principio di Le Chatelier-Brown

il riscaldamento lo aumenta, viene determinato il grado di spostamento ecc. con la temperatura

valore assoluto del DN. La pressione interferisce con ecc., tanto più forte quanto maggiore

variazione (aumento) del numero di moli (Di) di sostanze gassose

il grado di dissociazione non dipende dalla pressione. Se i solidi non lo sono

formano soluzioni solide e non sono in uno stato altamente disperso,

quindi la pressione ecc. è determinata unicamente dalla temperatura. Per implementare T.

d. solidi (ossidi, idrati cristallini, ecc.)

È importante sapere

temperatura alla quale la pressione di dissociazione diventa uguale a quella esterna (in particolare,

pressione atmosferica. Poiché il gas rilasciato può superare

pressione ambiente, quindi al raggiungimento di questa temperatura inizia il processo di decomposizione

si intensifica immediatamente.

Dipendenza del grado di dissociazione dalla temperatura: il grado di dissociazione aumenta all'aumentare della temperatura (l'aumento della temperatura porta ad un aumento dell'energia cinetica delle particelle disciolte, che favorisce la disintegrazione delle molecole in ioni)

Il grado di conversione delle sostanze di partenza e la resa di equilibrio del prodotto. Metodi per il loro calcolo ad una data temperatura. Quali dati sono necessari per questo? Fornisci uno schema per calcolare una qualsiasi di queste caratteristiche quantitative dell'equilibrio chimico utilizzando un esempio arbitrario.

Il grado di conversione è la quantità di reagente reagito divisa per la sua quantità originale. Per la reazione più semplice, dove è la concentrazione all'ingresso del reattore o all'inizio del processo periodico, è la concentrazione all'uscita del reattore o il momento attuale del processo periodico. Per una risposta volontaria, ad esempio, , secondo la definizione, la formula di calcolo è la stessa: . Se in una reazione sono presenti più reagenti, è possibile calcolare il grado di conversione per ciascuno di essi, ad esempio per la reazione La dipendenza del grado di conversione dal tempo di reazione è determinata dalla variazione della concentrazione del reagente nel tempo. Nel momento iniziale, quando nulla è stato trasformato, il grado di trasformazione è zero. Quindi, man mano che il reagente viene convertito, il grado di conversione aumenta. Per una reazione irreversibile, quando nulla impedisce al reagente di consumarsi completamente, il suo valore tende (Fig. 1) all'unità (100%). Fig. 1 Maggiore è la velocità di consumo del reagente, determinata dal valore della costante di velocità, più velocemente aumenta il grado di conversione, come mostrato nella figura. Se la reazione è reversibile, allora man mano che la reazione tende all'equilibrio, il grado di conversione tende a un valore di equilibrio, il cui valore dipende dal rapporto tra le costanti di velocità delle reazioni diretta e inversa (sulla costante di equilibrio) (Fig 2). Fig. 2 Resa del prodotto target La resa del prodotto è la quantità di prodotto target effettivamente ottenuta, divisa per la quantità di questo prodotto che sarebbe stata ottenuta se tutto il reagente fosse passato in questo prodotto (alla massima quantità possibile di il prodotto risultante). Oppure (attraverso il reagente): la quantità di reagente effettivamente convertita nel prodotto target, divisa per la quantità iniziale di reagente. Per la reazione più semplice, la resa è , e tenendo presente che per questa reazione, , cioè. Per la reazione più semplice la resa e il grado di conversione hanno lo stesso valore. Se la trasformazione avviene, ad esempio, con una variazione della quantità di sostanze, allora, secondo la definizione, nell'espressione calcolata deve essere incluso il coefficiente stechiometrico. Secondo la prima definizione, la quantità immaginaria di prodotto ottenuta dall'intera quantità iniziale del reagente sarà per questa reazione due volte inferiore alla quantità iniziale del reagente, ad es. e la formula di calcolo. Secondo la seconda definizione, la quantità di reagente effettivamente trasferita nel prodotto target sarà due volte più grande di quella che si è formata questo prodotto, vale a dire , allora la formula di calcolo è . Naturalmente, entrambe le espressioni sono la stessa cosa. Per una reazione più complessa le formule di calcolo sono scritte esattamente allo stesso modo secondo la definizione, ma in questo caso la resa non è più uguale al grado di conversione. Ad esempio, per la reazione, . Se in una reazione sono presenti più reagenti, è possibile calcolare la resa per ciascuno di essi. Se sono presenti anche più prodotti target, è possibile calcolare la resa per qualsiasi prodotto target per qualsiasi reagente. Come si può vedere dalla struttura della formula di calcolo (il denominatore contiene un valore costante), la dipendenza della resa dal tempo di reazione è determinata dalla dipendenza dal tempo della concentrazione del prodotto target. Quindi, ad esempio, per la reazione questa dipendenza appare come in Fig. 3. Fig.3

Il grado di conversione come caratteristica quantitativa dell'equilibrio chimico. In che modo un aumento della pressione e della temperatura totali influirà sul grado di conversione del reagente ... in una reazione in fase gassosa: ( l'equazione è data)? Fornisci una motivazione per la tua risposta ed espressioni matematiche appropriate.