Kimyasal reaksiyonların tersinirliği, kimyasal denge. Sıcaklığın kimyasal denge üzerindeki etkisi

Sistemin bulunduğu koşullar değişmediği sürece kimyasal denge korunur. Değişen koşullar (maddelerin konsantrasyonu, sıcaklık, basınç) dengesizliğe neden olur. Bir süre sonra kimyasal denge yeniden sağlanır, ancak önceki koşullardan farklı olarak yeni koşullar altında. Bir sistemin bir denge durumundan diğerine bu şekilde geçişine denir yer değiştirme denge (kayması). Yer değiştirmenin yönü Le Chatelier ilkesine uyar.

Başlangıç ​​maddelerinden birinin konsantrasyonu arttıkça denge bu maddenin daha fazla tüketilmesi yönünde kayar ve doğrudan reaksiyon yoğunlaşır. Başlangıç ​​maddelerinin konsantrasyonundaki bir azalma, ters reaksiyon arttıkça dengeyi bu maddelerin oluşumuna doğru kaydırır. Sıcaklıktaki bir artış dengeyi endotermik bir reaksiyona doğru kaydırırken, sıcaklıktaki bir azalma dengeyi ekzotermik bir reaksiyona doğru kaydırır. Basınçtaki bir artış, dengeyi gaz halindeki maddelerin azalan miktarlarına, yani bu gazların kapladığı daha küçük hacimlere doğru kaydırır. Tam tersine, basınç azaldıkça denge, gaz halindeki maddelerin artan miktarlarına, yani gazların oluşturduğu daha büyük hacimlere doğru kayar.

Örnek 1.

Basınçtaki bir artış aşağıdaki tersinir gaz reaksiyonlarının denge durumunu nasıl etkileyecektir:

a) S02 + C12 =S02CI2;

b) H2 + Br2 = 2НВr.

Çözüm:

Le Chatelier ilkesini kullanıyoruz; buna göre, ilk durumda (a) basınçtaki bir artış, dengeyi sağa, daha küçük bir hacim kaplayan daha az miktarda gazlı maddeye doğru kaydırır ve bu da artan basıncın dış etkisini zayıflatır. İkinci reaksiyonda (b), hem başlangıç ​​malzemeleri hem de reaksiyon ürünleri olan gaz halindeki maddelerin miktarları ve kapladıkları hacimler eşittir, dolayısıyla basıncın hiçbir etkisi yoktur ve denge bozulmaz.

Örnek 2.

Amonyak sentezi (–Q) 3H2 + N2 = 2NH3 + Q reaksiyonunda ileri reaksiyon ekzotermik, ters reaksiyon endotermiktir. Amonyak verimini artırmak için reaktanların konsantrasyonu, sıcaklık ve basınç nasıl değiştirilmelidir?

Çözüm:

Dengeyi sağa kaydırmak için yapmanız gerekenler:

a) H2 ve N2 konsantrasyonlarını arttırmak;

b) NH3 konsantrasyonunu (reaksiyon küresinden uzaklaştırma) azaltmak;

c) sıcaklığı düşürün;

d) basıncı arttırın.

Örnek 3.

Hidrojen klorür ve oksijen arasındaki homojen reaksiyon tersine çevrilebilir:

4HC1 + O2 = 2C12 + 2H20 + 116 kJ.

1. Aşağıdakilerin sistemin dengesi üzerinde ne gibi etkileri olacaktır?

a) basınçta artış;

b) sıcaklıkta artış;

c) bir katalizörün eklenmesi?

Çözüm:

a) Le Chatelier ilkesine göre, basınçtaki bir artış dengenin doğrudan reaksiyona doğru kaymasına neden olur.

b) t°'deki bir artış dengenin ters reaksiyona doğru kaymasına yol açar.

c) Katalizörün eklenmesi dengeyi değiştirmez.

2. Reaktiflerin konsantrasyonu iki katına çıkarsa kimyasal denge hangi yöne kayar?

Çözüm:

υ → = k → 0 2 0 2;

υ 0 ← = k ← 0 2 0 2

Konsantrasyonların artmasından sonra ileri reaksiyonun hızı şu şekilde oldu:

υ → = k → 4 = 32 k → 0 4 0

yani başlangıç ​​hızına göre 32 kat arttı. Benzer şekilde ters reaksiyonun hızı da 16 kat artar:

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

İleri reaksiyonun hızındaki artış, ters reaksiyonun hızındaki artıştan 2 kat daha fazladır: denge sağa kayar.

Örnek 4. İÇİNDE

Homojen bir reaksiyonun dengesi hangi yöne kayar?

PCl5 = PC13 + Cl2 + 92 KJ,

Çözüm:

İleri reaksiyonun sıcaklık katsayısının 2,5 ve ters reaksiyonun sıcaklık katsayısının 3,2 olduğunu bilerek sıcaklığı 30 °C artırırsanız?

İleri ve geri reaksiyonların sıcaklık katsayıları eşit olmadığından sıcaklığın arttırılması, bu reaksiyonların hızlarındaki değişim üzerinde farklı etkiler yaratacaktır. Van't Hoff kuralını (1.3) kullanarak sıcaklık 30 °C arttığında ileri ve geri reaksiyonların oranlarını buluruz:

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)

Sıcaklıktaki artış ileri reaksiyonun hızını 15,6 kat, ters reaksiyonun hızını ise 32,8 kat artırdı. Sonuç olarak denge sola, PCl 5 oluşumuna doğru kayacaktır.

Örnek 5.

Çözüm:

İzole edilmiş C 2 H 4 + H 2 ⇄ C 2 H 6 sisteminde ileri ve geri reaksiyonların oranları nasıl değişecek ve sistemin hacmi 3 kat arttığında denge nereye kayacaktır?

İleri ve geri reaksiyonların başlangıç ​​hızları aşağıdaki gibidir:

υ 0 = k 0 0; υ 0 = k 0 . Sistemin hacmindeki bir artış, reaktanların konsantrasyonlarında 3 oranında bir azalmaya neden olur

kez, dolayısıyla ileri ve geri reaksiyonların oranındaki değişiklik aşağıdaki gibi olacaktır:

υ 0 = k = 1/9υ 0

İleri ve geri reaksiyonların hızlarındaki azalma aynı değildir: Ters reaksiyonun hızı, ters reaksiyonun hızından 3 kat (1/3: 1/9 = 3) daha yüksektir, bu nedenle denge şu şekilde kayar: sola, sistemin daha büyük bir hacim kapladığı tarafa, yani C2H4 ve H2 oluşumuna doğru.

Eğer bir sistem denge durumundaysa, dış koşullar sabit kaldığı sürece dengede kalacaktır. Koşullar değişirse sistem dengeden çıkacak, ileri ve geri süreçlerin hızları eşit olmayan şekilde değişecek, bir reaksiyon meydana gelecektir. Bunlardan en önemlisi, dengede yer alan herhangi bir maddenin konsantrasyonundaki, basınç veya sıcaklıktaki değişikliklerden kaynaklanan dengesizlik durumlarıdır.

Bu vakaların her birini ele alalım.

Reaksiyona katılan herhangi bir maddenin konsantrasyonundaki değişiklik nedeniyle dengenin bozulması. Hidrojen, hidrojen iyodür ve iyot buharının belirli bir sıcaklık ve basınçta birbirleriyle dengede olmasına izin verin. Sisteme ilave miktarda hidrojen verelim. Kütle etki yasasına göre, hidrojen konsantrasyonundaki bir artış, ileri reaksiyonun (HI sentez reaksiyonu) hızında bir artışa neden olurken, ters reaksiyonun hızı değişmeyecektir. Reaksiyon artık ileri yönde, ters yöne göre daha hızlı ilerleyecektir. Bunun sonucunda hidrojen ve iyot buharı konsantrasyonları azalacak, bu da ileri reaksiyonu yavaşlatacak, HI konsantrasyonu artacak ve bu da ters reaksiyonu hızlandıracaktır. Bir süre sonra ileri ve geri reaksiyonların hızları yeniden eşitlenecek ve yeni bir denge kurulacaktır. Ancak aynı zamanda HI konsantrasyonu artık eklemeden önce olduğundan daha yüksek olacak ve konsantrasyon daha düşük olacaktır.

Bir dengesizliğin neden olduğu konsantrasyonları değiştirme sürecine yer değiştirme veya denge kayması denir. Aynı zamanda denklemin sağ tarafındaki maddelerin konsantrasyonlarında bir artış varsa (ve tabii ki aynı zamanda sol taraftaki maddelerin konsantrasyonlarında da bir azalma varsa), o zaman dengenin değiştiğini söylüyorlar. sağa, yani doğrudan reaksiyon yönünde; Konsantrasyonlar ters yönde değiştiğinde, dengenin ters reaksiyon yönünde sola doğru bir kaymasından söz ederler. Ele alınan örnekte denge sağa kaymıştır. Aynı zamanda konsantrasyonunun artması dengesizliğe neden olan madde reaksiyona girdi - konsantrasyonu azaldı.

Böylece dengeye katılan maddelerden herhangi birinin konsantrasyonunun artmasıyla denge bu maddenin tüketimine doğru kayar; Maddelerden herhangi birinin konsantrasyonu azaldığında denge bu maddenin oluşumu yönünde kayar.

Basınçtaki değişiklikler nedeniyle dengenin bozulması (sistemin hacminin azalması veya artması). Bir reaksiyona gazlar karıştığında sistemin hacmi değiştiğinde denge bozulabilir.

Basıncın nitrojen monoksit ile oksijen arasındaki reaksiyon üzerindeki etkisini düşünün:

Bir gaz karışımının belirli bir sıcaklık ve basınçta kimyasal dengede olmasına izin verin. Sıcaklığı değiştirmeden sistemin hacmi 2 kat azalacak şekilde basıncı arttırıyoruz. İlk anda, tüm gazların kısmi basınçları ve konsantrasyonları iki katına çıkacak, ancak aynı zamanda ileri ve geri reaksiyonların oranları arasındaki oran da değişecek, denge bozulacaktır.

Aslında basınç artmadan önce gaz konsantrasyonları denge değerlerine sahipti ve ileri ve geri reaksiyonların oranları aynıydı ve denklemlerle belirleniyordu:

Sıkıştırmadan sonraki ilk anda, gaz konsantrasyonları başlangıç ​​değerlerine göre iki katına çıkacak ve sırasıyla , ve 'ye eşit olacaktır. Bu durumda ileri ve geri reaksiyonların oranları aşağıdaki denklemlerle belirlenecektir:

Böylece artan basınç sonucunda ileri reaksiyonun hızı 8 kat, ters reaksiyonun hızı ise yalnızca 4 kat arttı. Sistemdeki denge bozulacak, ileri tepki ters tepkiye üstün gelecektir. Hızlar eşitlendikten sonra denge yeniden kurulacak ancak sistemdeki miktar artacak ve denge sağa kayacaktır.

İleri ve geri reaksiyon oranlarındaki eşit olmayan değişimin, söz konusu reaksiyon denkleminin sol ve sağ taraflarında gaz moleküllerinin sayısının farklı olmasından kaynaklandığını görmek kolaydır: bir oksijen molekülü ve iki nitrojen monoksit molekülleri (toplamda üç gaz molekülü) iki gaz molekülüne - nitrojen dioksite dönüştürülür. Bir gazın basıncı, moleküllerinin kabın duvarlarına çarpmasının sonucudur; diğer şeyler eşit olduğunda, belirli bir gaz hacmindeki molekül sayısı ne kadar yüksek olursa, gaz basıncı da o kadar yüksek olur. Dolayısıyla gaz molekülü sayısının artmasıyla oluşan reaksiyon basıncın artmasına, gaz molekülü sayısının azalmasıyla oluşan reaksiyon ise basıncın azalmasına neden olur.

Bunu akılda tutarak, basıncın kimyasal denge üzerindeki etkisine ilişkin sonuç şu şekilde formüle edilebilir:

Sistemi sıkıştırarak basınç arttığında denge, gaz molekülü sayısındaki azalmaya yani basınçtaki azalmaya doğru kayar; basınç azaldığında denge, gaz molekülü sayısındaki artışa yani artışa doğru kayar. basınçta artış.

Reaksiyonun gaz molekülü sayısı değişmeden ilerlemesi durumunda sistemin sıkışması veya genişlemesi sırasında denge bozulmaz. Örneğin, sistemde

hacim değiştiğinde denge bozulmaz; HI çıkışı basınçtan bağımsızdır.

Sıcaklık değişimlerinden kaynaklanan dengesizlik. Kimyasal reaksiyonların büyük çoğunluğunun dengesi sıcaklık değişimleriyle değişir. Denge kaymasının yönünü belirleyen faktör reaksiyonun termal etkisinin işaretidir. Sıcaklık arttığında dengenin endotermik reaksiyon yönünde, azaldığında ise ekzotermik reaksiyon yönünde kaydığı gösterilebilir.

Dolayısıyla amonyak sentezi ekzotermik bir reaksiyondur

Bu nedenle sıcaklık arttıkça sistemdeki denge sola, amonyağın ayrışmasına doğru kayar, çünkü bu işlem ısının emilmesiyle gerçekleşir.

Tersine, nitrik oksit (II) sentezi endotermik bir reaksiyondur:

Bu nedenle sıcaklık arttıkça sistemdeki denge sağa, oluşuma doğru kayar.

Kimyasal denge bozukluklarının dikkate alınan örneklerinde görülen modeller, çeşitli faktörlerin denge sistemleri üzerindeki etkisini belirleyen genel prensibin özel durumlarıdır. Le Chatelier ilkesi olarak bilinen bu ilke, kimyasal dengelere uygulandığında aşağıdaki şekilde formüle edilebilir:

Dengede olan bir sisteme herhangi bir darbe uygulandığında, içinde meydana gelen işlemler sonucunda denge, etkiyi azaltacak yönde kayacaktır.

Nitekim reaksiyona katılan maddelerden biri sisteme girdiğinde denge bu maddenin tüketimi yönünde kayar. “Basınç arttığında sistemdeki basınç azalacak şekilde kayar; sıcaklık arttığında denge endotermik reaksiyona doğru kayar, sistemdeki sıcaklık düşer.

Le Chatelier ilkesi yalnızca kimyasallara değil aynı zamanda çeşitli fizikokimyasal dengelere de uygulanır. Le Chatelier prensibine göre kaynama, kristalleşme, çözünme gibi süreçlerin koşulları değiştiğinde dengede bir kayma meydana gelir.

Kimyasal reaksiyonlar geri dönüşümlü veya geri dönüşümsüz olabilir.

onlar. A + B = C + D reaksiyonlarından bazıları geri döndürülemezse, bu, C + D = A + B ters reaksiyonunun meydana gelmediği anlamına gelir.

yani, örneğin, belirli bir A + B = C + D reaksiyonu geri dönüşümlü ise, bu, hem A + B → C + D reaksiyonunun (doğrudan) hem de C + D → A + B (ters) reaksiyonunun aynı anda meydana geldiği anlamına gelir ).

Esasen, çünkü Hem doğrudan hem de ters reaksiyonlar meydana gelir; tersinir reaksiyonlar durumunda, denklemin hem sol tarafındaki maddeler hem de denklemin sağ tarafındaki maddeler reaktifler (başlangıç ​​maddeleri) olarak adlandırılabilir. Aynı şey ürünler için de geçerli.

Herhangi bir tersinir reaksiyon için ileri ve geri reaksiyonların hızlarının eşit olduğu bir durum mümkündür. Bu duruma denir denge durumu.

Dengede hem reaktanların hem de tüm ürünlerin konsantrasyonları sabittir. Dengedeki ürün ve reaktanların derişimlerine denir. denge konsantrasyonları.

Çeşitli faktörlerin etkisi altında kimyasal dengede değişim

Sıcaklık, basınç veya başlangıç ​​maddesi veya ürünlerinin konsantrasyonundaki değişiklikler gibi sistem üzerindeki dış etkiler nedeniyle sistemin dengesi bozulabilir. Ancak bu dış etkinin sona ermesinden sonra sistem bir süre sonra yeni bir denge durumuna geçecektir. Bir sistemin bir denge durumundan başka bir denge durumuna bu şekilde geçişine denir. kimyasal dengenin yer değiştirmesi (kayması) .

Belirli bir etki tipi altında kimyasal dengenin nasıl değiştiğini belirleyebilmek için Le Chatelier ilkesini kullanmak uygundur:

Denge durumundaki bir sisteme herhangi bir dış etki uygulanırsa, kimyasal dengedeki değişimin yönü, etkinin etkisini zayıflatan reaksiyonun yönü ile çakışacaktır.

Sıcaklığın denge durumuna etkisi

Sıcaklık değiştiğinde herhangi bir kimyasal reaksiyonun dengesi değişir. Bunun nedeni herhangi bir reaksiyonun termal bir etkiye sahip olmasıdır. Ayrıca ileri ve geri reaksiyonların termal etkileri her zaman tam tersidir. Onlar. ileri reaksiyon ekzotermikse ve +Q'ya eşit bir termal etkiyle ilerliyorsa, ters reaksiyon her zaman endotermiktir ve –Q'ya eşit bir termal etkiye sahiptir.

Dolayısıyla Le Chatelier ilkesine göre, denge durumundaki belirli bir sistemin sıcaklığını arttırırsak, denge, sıcaklığın azaldığı reaksiyona doğru kayacaktır, yani. endotermik bir reaksiyona doğru. Benzer şekilde, denge durumundaki sistemin sıcaklığını düşürürsek, denge reaksiyona doğru kayacak ve bunun sonucunda sıcaklık artacaktır, yani. ekzotermik bir reaksiyona doğru.

Örneğin, aşağıdaki tersinir reaksiyonu göz önünde bulundurun ve sıcaklık azaldıkça dengesinin nereye kayacağını belirtin:

Yukarıdaki denklemden görülebileceği gibi ileri reaksiyon ekzotermiktir, yani. Oluşmasının bir sonucu olarak ısı açığa çıkar. Sonuç olarak ters reaksiyon endotermik olacaktır, yani ısının emilmesiyle meydana gelir. Koşula göre sıcaklık azalır, dolayısıyla denge sağa kayar, yani. doğrudan tepkiye doğru.

Konsantrasyonun kimyasal denge üzerindeki etkisi

Le Chatelier ilkesine uygun olarak reaktif konsantrasyonundaki bir artış, reaktiflerin tüketildiği bir sonucu olarak dengede reaksiyona doğru bir kaymaya yol açmalıdır; doğrudan tepkiye doğru.

Ve bunun tersi de geçerlidir, eğer reaktanların konsantrasyonu azalırsa, o zaman denge, reaktanların oluştuğu reaksiyona doğru kayacaktır, yani. ters reaksiyonun tarafı (←).

Reaksiyon ürünlerinin konsantrasyonundaki bir değişiklik de benzer bir etkiye sahiptir. Ürünlerin konsantrasyonu arttırılırsa denge, ürünlerin tüketildiği reaksiyona doğru kayacaktır; ters reaksiyona doğru (←). Aksine, ürünlerin konsantrasyonu azalırsa, o zaman denge doğrudan reaksiyona (→) doğru kayacak ve böylece ürünlerin konsantrasyonu artacaktır.

Basıncın kimyasal denge üzerindeki etkisi

Sıcaklık ve konsantrasyonun aksine, basınçtaki değişiklikler her reaksiyonun denge durumunu etkilemez. Basınçtaki bir değişikliğin kimyasal dengede bir değişikliğe yol açabilmesi için, gaz halindeki maddelere ilişkin denklemin sol ve sağ taraflarındaki katsayıların toplamlarının farklı olması gerekir.

Onlar. iki reaksiyondan:

basınçtaki bir değişiklik yalnızca ikinci reaksiyon durumunda denge durumunu etkileyebilir. Gaz halindeki maddelerin formüllerinin önündeki katsayıların toplamı, sol ve sağdaki birinci denklemde aynı (2'ye eşit), ikinci denklemde ise farklıdır (4'e eşit). solda ve 2 sağda).

Buradan, özellikle, hem reaktanlar hem de ürünler arasında gaz halindeki maddeler yoksa, basınçtaki bir değişikliğin mevcut denge durumunu hiçbir şekilde etkilemeyeceği sonucu çıkar. Örneğin basınç, reaksiyonun denge durumunu etkilemez:

Sol ve sağda gaz halindeki maddelerin miktarı farklıysa, basınçtaki bir artış dengede gazların hacminin azaldığı reaksiyona doğru bir kaymaya yol açacak ve basınçtaki bir azalma da bir kaymaya yol açacaktır. denge, bunun sonucunda gazların hacmi artar.

Bir katalizörün kimyasal denge üzerindeki etkisi

Bir katalizör hem ileri hem de geri reaksiyonları eşit derecede hızlandırdığından varlığı veya yokluğu hiçbir etkisi yok bir denge durumuna.

Bir katalizörün etkileyebileceği tek şey sistemin dengesiz durumdan denge durumuna geçiş hızıdır.

Yukarıdaki tüm faktörlerin kimyasal denge üzerindeki etkisi, başlangıçta denge görevlerini yerine getirirken bakabileceğiniz bir kısa notta özetlenmiştir. Ancak sınavda kullanmak mümkün olmayacağından, birkaç örneği onun yardımıyla analiz ettikten sonra öğrenmeli ve ona bakmadan denge problemlerini çözme pratiği yapmalısınız:

Tanımlar: T - sıcaklık, P - basınç, İle – konsantrasyon, – artış, ↓ – azalma

9. Kimyasal reaksiyon hızı. Kimyasal denge

9.2. Kimyasal denge ve yer değiştirmesi

Çoğu kimyasal reaksiyon geri dönüşümlüdür; eşzamanlı olarak hem ürünlerin oluşumu yönünde hem de ayrışma yönünde (soldan sağa ve sağdan sola) akar.

Tersinir işlemler için reaksiyon denklemlerine örnekler:

N 2 + 3H 2 ⇄ t °, p, kat 2NH 3

2SO 2 + O 2 ⇄ t ° , p , cat 2SO 3

H 2 + I 2 ⇄ t ° 2HI

Tersinir reaksiyonlar, kimyasal denge durumu adı verilen özel bir durumla karakterize edilir.

Kimyasal denge- Bu, ileri ve geri reaksiyon oranlarının eşit olduğu sistemin durumudur. Kimyasal dengeye doğru ilerlerken ileri reaksiyonun hızı ve reaktanların konsantrasyonu azalırken, ters reaksiyon ve ürünlerin konsantrasyonu artar.

Kimyasal denge durumunda birim zamanda bozunduğu kadar ürün oluşur. Sonuç olarak kimyasal denge durumundaki maddelerin konsantrasyonları zamanla değişmez. Ancak bu, tüm maddelerin denge konsantrasyonlarının veya kütlelerinin (hacimlerinin) mutlaka birbirine eşit olduğu anlamına gelmez (bkz. Şekil 9.8 ve 9.9). Kimyasal denge, dış etkilere cevap verebilen dinamik (hareketli) bir dengedir.

Bir denge sisteminin bir denge durumundan diğerine geçişine yer değiştirme veya denge değişimi. Pratikte, dengenin reaksiyon ürünlerine (sağa) veya başlangıç ​​maddelerine (sola) doğru bir değişimden bahsediyorlar; İleri reaksiyon soldan sağa doğru meydana gelen reaksiyondur ve ters reaksiyon sağdan sola meydana gelir. Denge durumu iki zıt yönlü okla gösterilir: ⇄.

Dengeyi değiştirme ilkesi Fransız bilim adamı Le Chatelier (1884) tarafından formüle edilmiştir: Dengede olan bir sistem üzerindeki dış etki, bu dengede dış etkinin etkisini zayıflatacak yönde bir kaymaya yol açar.

Dengeyi değiştirmenin temel kurallarını formüle edelim.

Konsantrasyon etkisi: Bir maddenin konsantrasyonu arttığında denge tüketimine, azaldığında oluşumuna doğru kayar.

Örneğin, tersinir bir reaksiyonda H2 konsantrasyonunun artmasıyla

H 2 (g) + I 2 (g) ⇄ 2HI (g)

Hidrojen konsantrasyonuna bağlı olarak ileri reaksiyonun hızı artacaktır. Sonuç olarak denge sağa kayacaktır. H2 konsantrasyonu azaldıkça ileri reaksiyonun hızı azalacak, bunun sonucunda sürecin dengesi sola kayacaktır.

Sıcaklığın etkisi: Sıcaklık arttığında denge endotermik reaksiyona doğru kayar, sıcaklık azaldığında ise ekzotermik reaksiyona doğru kayar.

Artan sıcaklıkla hem ekzo hem de endotermik reaksiyonların hızının arttığını, ancak endotermik reaksiyonun daha fazla arttığını, bunun için E a'nın her zaman daha büyük olduğunu hatırlamak önemlidir. Sıcaklık düştükçe, her iki reaksiyonun hızı da azalır, ancak yine daha fazla sayıda - endotermik. Bunu, hız değerinin okların uzunluğuyla orantılı olduğu ve dengenin daha uzun ok yönünde kaydığı bir diyagramla göstermek uygundur.

Basıncın etkisi: Basınçtaki bir değişiklik, yalnızca reaksiyona gazlar dahil olduğunda ve hatta gaz halindeki madde kimyasal denklemin yalnızca bir tarafında olduğunda denge durumunu etkiler. Reaksiyon denklemlerine örnekler:

• basınç denge değişimini etkiler:

3H2(g) + N2(g) ⇄2NH3(g),

CaO (tv) + C02 (g) ⇄ CaC03 (tv);

• basınç denge değişimini etkilemez:

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

NaOH (çözelti) + HC1 (çözelti) = NaCl (çözelti) + H20 (l).

Basınç azaldığında denge, daha fazla kimyasal miktarda gaz halindeki maddenin oluşumuna doğru kayar ve arttığında, denge daha az kimyasal miktarda gazlı maddenin oluşumuna doğru kayar. Denklemin her iki tarafındaki gazların kimyasal miktarları aynıysa, basınç kimyasal denge durumunu etkilemez:

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

Basınçtaki bir değişikliğin etkisinin konsantrasyondaki bir değişikliğin etkisine benzer olduğu dikkate alındığında bunu anlamak kolaydır: basınçta n kat bir artışla, dengedeki tüm maddelerin konsantrasyonu aynı miktarda artar (ve tersine).

Reaksiyon sisteminin hacminin etkisi: Reaksiyon sisteminin hacmindeki bir değişiklik, basınçtaki bir değişiklikle ilişkilidir ve yalnızca gaz halindeki maddeleri içeren reaksiyonların denge durumunu etkiler. Hacimdeki bir azalma, basınçta bir artış anlamına gelir ve dengeyi daha az kimyasal gaz oluşumuna doğru kaydırır. Sistemin hacmindeki bir artış, basınçta bir azalmaya ve dengede daha fazla kimyasal miktarda gaz halindeki maddenin oluşumuna doğru bir kaymaya yol açar.

Bir denge sistemine bir katalizörün eklenmesi veya doğasındaki bir değişiklik, dengeyi değiştirmez (ürünün verimini artırmaz), çünkü katalizör hem ileri hem de geri reaksiyonları aynı ölçüde hızlandırır. Bunun nedeni, katalizörün ileri ve geri süreçlerin aktivasyon enerjisini eşit derecede azaltmasıdır. Peki neden tersinir süreçlerde katalizör kullanıyorlar? Gerçek şu ki, tersinir işlemlerde katalizör kullanımı, dengenin hızlı bir şekilde başlamasına katkıda bulunur ve bu da endüstriyel üretimin verimliliğini arttırır.

Çeşitli faktörlerin denge değişimi üzerindeki etkisine ilişkin spesifik örnekler Tablo'da verilmiştir. Isı salınımıyla meydana gelen amonyak sentezi reaksiyonu için 9.1. Başka bir deyişle ileri reaksiyon ekzotermik, ters reaksiyon ise endotermiktir.

Tablo 9.1

Amonyak sentezi reaksiyonunun dengesindeki değişime çeşitli faktörlerin etkisi

Örnek 9.3.

Süreç dengesi durumunda

2SO 2 (g) + O 2 (g) ⇄ 2SO 3 (g)

maddelerin konsantrasyonları (mol/dm3) SO2, O2 ve SO3 sırasıyla 0,6, 0,4 ve 0,2'dir. SO 2 ve O 2'nin başlangıç ​​konsantrasyonlarını bulun (S03'ün başlangıç ​​konsantrasyonu sıfırdır).

Çözüm. Reaksiyon sırasında SO 2 ve O 2 tüketilir, dolayısıyla

c çıkışı (SO 2) = c eşittir (SO 2) + c çıkışı (SO 2),

c dışarı (O 2) = c eşittir (O ​​2) + c dışarı (O 2).

Harcanan c'nin değeri c (SO 3) kullanılarak bulunur:

cout (S02) = 0,6 + 0,2 = 0,8 (mol/dm3).

y = 0,1 mol/dm3.

cout (O2) = 0,4 + 0,1 = 0,5 (mol/dm3).

Cevap: 0,8 mol/dm3S02; 0,5 mol/dm302.

Sınav görevlerini yerine getirirken, çeşitli faktörlerin bir yandan reaksiyon hızına, diğer yandan kimyasal dengedeki değişime etkisi sıklıkla karıştırılır.

Geri dönüşümlü bir süreç için

sıcaklık arttıkça hem ileri hem de geri reaksiyonların hızı artar; sıcaklık düştükçe hem ileri hem de geri reaksiyonların hızı azalır;

artan basınçla, gazların katılımıyla meydana gelen tüm reaksiyonların oranları hem doğrudan hem de ters olarak artar. Basınç azaldıkça, hem doğrudan hem de ters gazların katılımıyla meydana gelen tüm reaksiyonların hızı azalır;

Sisteme bir katalizör eklenmesi veya onun başka bir katalizörle değiştirilmesi dengeyi değiştirmez.

Örnek 9.4.

Denklemde açıklanan, tersine çevrilebilir bir süreç meydana gelir

N 2 (g) + 3H 2 (g) ⇄ 2NH 3 (g) + Q

Hangi faktörleri göz önünde bulundurun: 1) amonyak reaksiyonunun sentez hızını arttırın; 2) dengeyi sağa kaydırın:

a) sıcaklıkta azalma;

b) basınçta artış;

c) NH3 konsantrasyonunda azalma;

d) bir katalizörün kullanılması;

e) N2 konsantrasyonundaki artış.

Çözüm. Faktörler b), d) ve e) amonyak sentezi reaksiyonunun hızını arttırır (ayrıca sıcaklığın artması, H2 konsantrasyonunun artması); dengeyi sağa kaydırın - a), b), c), e).

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

Örnek 9.5.

Aşağıda tersinir bir reaksiyonun enerji diyagramı verilmiştir.

Tüm doğru ifadeleri listeleyin:

a) ters reaksiyon doğrudan reaksiyondan daha hızlı ilerler;

b) sıcaklık arttıkça ters reaksiyonun hızı doğrudan reaksiyona göre daha fazla artar;

c) ısının emilmesiyle doğrudan bir reaksiyon meydana gelir;

d) ters reaksiyon için sıcaklık katsayısı γ daha büyüktür.

Çözüm.

a) E arr = 500 − 300 = 200 (kJ), E arr = 500 − 200 = 300 (kJ)'den küçük olduğundan ifade doğrudur.

b) İfade yanlıştır; E a'nın büyük olduğu doğrudan reaksiyonun hızı daha fazla artar.

c) İfade doğrudur, Q pr = 200 − 300 = −100 (kJ).

d) İfade yanlıştır, doğrudan reaksiyon için γ daha büyüktür, bu durumda E a daha büyüktür. Cevap: a), c).

Ana makale:

Kimyasal dengeyi etkileyen faktörler:

1) sıcaklık

Sıcaklık arttıkça kimyasal denge endotermik (absorbsiyon) reaksiyona, azaldıkça ekzotermik (serbest kalma) reaksiyona doğru kayar.

CaCO 3 =CaO+CO 2 -Q t →, t↓ ←

N 2 +3 saat 2 ↔2NH 3 +Q t ←, t↓ →

2) basınç

Basınç arttıkça kimyasal denge daha küçük hacimdeki maddelere doğru kayar, basınç azaldıkça ise daha büyük bir hacme doğru kayar. Bu prensip yalnızca gazlar için geçerlidir; Reaksiyona katı maddeler karışmışsa bunlar dikkate alınmaz.

CaCO 3 =CaO+CO 2 P ←, P↓ →

1mol=1mol+1mol

3) başlangıç ​​maddelerinin ve reaksiyon ürünlerinin konsantrasyonu

Başlangıç ​​​​maddelerinden birinin konsantrasyonundaki bir artışla, kimyasal denge reaksiyon ürünlerine doğru ve reaksiyon ürünlerinin konsantrasyonundaki bir artışla başlangıç ​​​​maddelerine doğru kayar.

S 2 +2O 2 =2SO 2 [S],[O] →, ←

Katalizörler kimyasal dengenin değişimini etkilemez!

Kimyasal dengenin temel niceliksel özellikleri: kimyasal denge sabiti, dönüşüm derecesi, ayrışma derecesi, denge verimi. Belirli kimyasal reaksiyonlar örneğini kullanarak bu miktarların anlamını açıklayın.

Kimyasal termodinamikte kütle etki yasası, aşağıdaki ilişkiye göre başlangıç ​​maddelerinin ve reaksiyon ürünlerinin denge aktivitelerini ilişkilendirir:

Maddelerin aktivitesi. Aktivite yerine konsantrasyon (ideal bir çözeltideki reaksiyon için), kısmi basınçlar (ideal gazların karışımındaki reaksiyon), fugasite (gerçek gazların karışımındaki reaksiyon) kullanılabilir;

Stokiyometrik katsayı (başlangıç ​​maddeleri için negatif, ürünler için pozitif);

Kimyasal denge sabiti. Buradaki "a" alt simgesi, formüldeki etkinlik değerinin kullanıldığı anlamına gelir.

Bir reaksiyonun verimliliği genellikle reaksiyon ürününün veriminin hesaplanmasıyla değerlendirilir (bölüm 5.11). Aynı zamanda reaksiyonun verimliliği, en önemli (genellikle en pahalı) maddenin hangi kısmının hedef reaksiyon ürününe dönüştüğünün belirlenmesiyle de değerlendirilebilir; örneğin reaksiyon sırasında SO2'nin hangi kısmının SO3'e dönüştüğü. sülfürik asit üretimi, yani bulmak dönüşüm derecesi orijinal madde.

Devam eden reaksiyonun kısa bir şemasını verelim

Daha sonra A maddesinin B maddesine (A) dönüşüm derecesi aşağıdaki denklem ile belirlenir.

Nerede N proreact (A) - ürün B'yi oluşturmak üzere reaksiyona giren reaktif A maddesinin miktarı ve N başlangıç ​​(A) – reaktif A'nın başlangıç ​​miktarı.

Doğal olarak, dönüşüm derecesi yalnızca bir maddenin miktarıyla değil, aynı zamanda onunla orantılı herhangi bir miktarla da ifade edilebilir: molekül sayısı (formül birimleri), kütle, hacim.

A reaktifi yetersiz alınırsa ve B ürününün kaybı ihmal edilebilirse, A reaktifinin dönüşüm derecesi genellikle B ürününün verimine eşittir.

Bunun istisnası, başlangıç ​​maddesinin çeşitli ürünler oluşturmak üzere açıkça tüketildiği reaksiyonlardır. Yani örneğin reaksiyonda

Cl2 + 2KOH = KCl + KClO + H20

klor (reaktif) eşit olarak potasyum klorür ve potasyum hipoklorite dönüştürülür. Bu reaksiyonda %100 KClO verimiyle bile klorun buna dönüşüm derecesi %50'dir.

Bildiğiniz miktar - protoliz derecesi (bölüm 12.4) - dönüşüm derecesinin özel bir durumudur:

TED çerçevesinde benzer niceliklere denir ayrışma derecesi asitler veya bazlar (aynı zamanda protoliz derecesi olarak da adlandırılır). Ayrışmanın derecesi, Ostwald'ın seyreltme yasasına göre ayrışma sabitiyle ilişkilidir.

Aynı teori çerçevesinde hidroliz dengesi şu şekilde karakterize edilir: hidroliz derecesi (H) ve bunu maddenin başlangıç ​​konsantrasyonuna bağlamak için aşağıdaki ifadeler kullanılır ( İle) ve hidroliz sırasında oluşan zayıf asitlerin (K HA) ve zayıf bazların ayrışma sabitleri ( k MOH):

İlk ifade, zayıf bir asit tuzunun, ikinci - zayıf bir bazın tuzlarının ve üçüncü - zayıf bir asit ve zayıf bir bazın tuzlarının hidrolizi için geçerlidir. Tüm bu ifadeler yalnızca hidroliz derecesi 0,05'i (%5) aşmayan seyreltik çözeltiler için kullanılabilir.

Tipik olarak denge verimi, her özel durumda belirli bir oranla ilişkili olduğu bilinen bir denge sabiti tarafından belirlenir.

Sıcaklık, basınç, konsantrasyon gibi faktörlerden etkilenen tersinir proseslerde reaksiyonun dengesi kaydırılarak ürünün verimi değiştirilebilir.

Le Chatelier prensibine göre, basit reaksiyonlar sırasında basıncın artmasıyla denge dönüşüm derecesi artar, diğer durumlarda reaksiyon karışımının hacmi değişmez ve ürünün verimi basınca bağlı değildir.

Sıcaklığın denge verimi ve denge sabiti üzerindeki etkisi, reaksiyonun termal etkisinin işareti ile belirlenir.

Tersinir süreçlerin daha kapsamlı bir değerlendirmesi için, gerçekte elde edilen ürünün denge durumunda elde edilecek miktara oranına eşit olan teorik verim (dengeden elde edilen verim) olarak adlandırılan verim kullanılır.

TERMAL AYRIŞMA kimyasalı

sıcaklıktaki bir artışın neden olduğu bir maddenin tersinir bir ayrışma reaksiyonu.

Vb. ile bir maddeden birkaç (2H2H+ OCaO + CO) veya daha basit bir madde oluşur

Denge vb. kütle hareket kanununa göre kurulur. BT

bir denge sabiti veya ayrışma derecesi ile karakterize edilebilir

(bozunmuş molekül sayısının toplam molekül sayısına oranı). İÇİNDE

Çoğu durumda vs.'ye ısı emilimi eşlik eder (artış

entalpi

DN>0); bu nedenle Le Chatelier-Brown ilkesine uygun olarak

ısıtma bunu arttırır, yer değiştirme derecesi vb. sıcaklıkla belirlenir

DN'nin mutlak değeri. Basınç vs.'ye müdahale eder, ne kadar güçlü olursa o kadar büyük olur

Gaz halindeki maddelerin mol (Di) sayısında değişiklik (artış)

ayrışma derecesi basınca bağlı değildir. Katılar değilse

katı çözeltiler oluşturur ve oldukça dağılmış durumda değildir,

daha sonra basınç vb. sıcaklık tarafından benzersiz bir şekilde belirlenir. T.'yi uygulamak.

d. katılar (oksitler, kristal hidratlar, vb.)

bilmek önemli

ayrışma basıncının dış basınca eşit olduğu sıcaklık (özellikle,

atmosferik) basınç. Açığa çıkan gaz üstesinden gelebileceğinden

ortam basıncı, daha sonra bu sıcaklığa ulaşıldığında ayrışma süreci

hemen yoğunlaşıyor.

Ayrışma derecesinin sıcaklığa bağlılığı: sıcaklık arttıkça ayrışma derecesi de artar (sıcaklığın artması, çözünmüş parçacıkların kinetik enerjisinde bir artışa yol açar, bu da moleküllerin iyonlara parçalanmasını teşvik eder)

Başlangıç ​​maddelerinin dönüşüm derecesi ve ürünün denge verimi. Belirli bir sıcaklıkta hesaplama yöntemleri.

Bunun için hangi verilere ihtiyaç var? Rastgele bir örnek kullanarak kimyasal dengenin bu niceliksel özelliklerinden herhangi birini hesaplamak için bir şema verin. Dönüşüm derecesinin reaksiyon süresine bağımlılığı, reaktifin konsantrasyonunun zaman içinde değişmesiyle belirlenir. Hiçbir şeyin dönüşmediği ilk anda dönüşümün derecesi sıfırdır. Daha sonra reaktif dönüştürüldükçe dönüşümün derecesi artar. Geri dönüşü olmayan bir reaksiyon için, reaktifin tamamen tükenmesini hiçbir şey engellemediğinde değeri (Şekil 1) birliğe (%100) yönelir. Şekil 1 Şekilde gösterildiği gibi, hız sabitinin değeriyle belirlenen reaktif tüketim hızı ne kadar büyük olursa, dönüşüm derecesi de o kadar hızlı artar. Reaksiyon tersinir ise, reaksiyon dengeye doğru yöneldikçe, dönüşümün derecesi bir denge değerine yönelir; bunun değeri, ileri ve geri reaksiyonların hız sabitlerinin oranına (denge sabiti üzerinde) bağlıdır (Şekil 1). .2). Şekil 2 Hedef ürünün verimi Ürünün verimi, fiilen elde edilen hedef ürünün miktarının, tüm reaktiflerin bu ürüne geçmesi durumunda elde edilecek olan bu ürünün miktarına bölümüdür (mümkün olan maksimum miktara kadar). elde edilen ürün). Veya (reaktif aracılığıyla): Hedef ürüne gerçekten dönüştürülen reaktif miktarının, reaktifin başlangıç ​​miktarına bölümü. En basit reaksiyonun verimi şudur ve bu reaksiyon için şunu akılda tutarak, , yani En basit reaksiyon için verim ve dönüşüm derecesi aynı değerdir. Dönüşüm, örneğin madde miktarındaki bir değişiklikle gerçekleşirse, o zaman tanıma uygun olarak stokiyometrik katsayının hesaplanan ifadeye dahil edilmesi gerekir. Birinci tanıma göre, bu reaksiyon için reaktifin başlangıç ​​miktarının tamamından elde edilen hayali ürün miktarı, reaktifin orijinal miktarından iki kat daha az olacaktır; ve hesaplama formülü. İkinci tanıma göre, hedef ürüne fiilen aktarılan reaktifin miktarı, bu ürünün oluştuğu miktarın iki katı kadar olacaktır; ise hesaplama formülü şöyledir. Doğal olarak her iki ifade de aynıdır. Daha karmaşık bir reaksiyon için hesaplama formülleri tanıma uygun olarak tamamen aynı şekilde yazılır ancak bu durumda verim artık dönüşüm derecesine eşit değildir. Örneğin reaksiyon için, . Bir reaksiyonda birden fazla reaktif varsa, bunların her biri için verim hesaplanabilir; birden fazla hedef ürün varsa, o zaman herhangi bir reaktif için herhangi bir hedef ürün için verim hesaplanabilir. Hesaplama formülünün yapısından görülebileceği gibi (payda sabit bir değer içerir), verimin reaksiyon süresine bağımlılığı, hedef ürünün konsantrasyonunun zamana bağımlılığı ile belirlenir. Yani, örneğin reaksiyon için bu bağımlılık Şekil 3'tekine benzer. Şekil 3

Kimyasal dengenin niceliksel bir özelliği olarak dönüşüm derecesi. Toplam basınç ve sıcaklıktaki bir artış, bir gaz fazı reaksiyonunda reaktifin dönüşüm derecesini nasıl etkileyecektir: ( denklem verilmiştir