Қайтымды реакциялардың химиялық тепе-теңдік нұсқасы. қайтымсыз және қайтымды реакциялар. Қайтымды реакциялардың мысалдары

Барлық химиялық реакцияларды екі топқа бөлуге болады: қайтымсыз және қайтымды реакциялар. Қайтымсыз реакциялар соңына дейін жүреді - әрекеттесуші заттардың біреуі толығымен жұмсалғанға дейін. Қайтымды реакциялар соңына дейін жүрмейді: қайтымды реакцияда әрекеттесуші заттардың ешқайсысы толығымен жұмсалмайды. Бұл айырмашылық қайтымсыз реакцияның тек бір бағытта жүруіне байланысты. Қайтымды реакция тура және кері бағытта жүруі мүмкін.

Екі мысалды қарастырайық.

Мысал 1. Мырыш пен концентрлі азот қышқылының әрекеттесуі мына теңдеу бойынша жүреді:

Азот қышқылының жеткілікті мөлшерімен реакция барлық мырыш еріген кезде ғана аяқталады. Сонымен қатар, егер біз бұл реакцияны жүзеге асыруға тырыссақ кері бағыт- мырыш нитратының ерітіндісі арқылы азот диоксидін өткізіңіз, содан кейін металдық мырыш пен азот қышқылы жұмыс істемейді - бұл реакция қарама-қарсы бағытта жүре алмайды. Сонымен, мырыштың азот қышқылымен әрекеттесуі қайтымсыз реакция болып табылады.

Мысал 2. Аммиак синтезі мына теңдеу бойынша жүреді:

Егер бір моль азотты үш моль сутегімен араластырса, жүйеде реакцияның жүруіне қолайлы жағдай жасалып, жеткілікті уақыт өткеннен кейін газ қоспасы талданса, талдау нәтижелері тек реакция өнімі (аммиак) ғана емес екенін көрсетеді. ) жүйеде болады, сонымен қатар бастапқы заттар (азот және сутегі). Егер қазір дәл осындай жағдайларда бастапқы зат ретінде азот-сутек қоспасы емес, аммиак қойылса, онда аммиактың бір бөлігі азот пен сутегіге ыдырайтынын және мөлшерлер арасындағы соңғы қатынасты табуға болады. барлық үш заттың азот пен сутегі қоспасынан бастаған кездегідей болады. Сонымен аммиак синтезі қайтымды реакция болып табылады.

Қайтымды реакциялар теңдеуінде теңдік белгісінің орнына көрсеткілерді қолдануға болады; олар реакцияның тура және кері бағыттағы ағынын білдіреді.

Суретте. 68 уақыт бойынша тура және кері реакциялар жылдамдығының өзгеруін көрсетеді. Бастапқыда бастапқы заттарды араластырғанда тура реакцияның жылдамдығы жоғары, ал кері реакцияның жылдамдығы нөлге тең болады.Реакция жүріп жатқанда бастапқы заттар жұмсалып, олардың концентрациясы төмендейді.

Күріш. 63. Уақыт бойынша тура және кері реакциялар жылдамдығының өзгеруі.

Осының нәтижесінде тура реакцияның жылдамдығы төмендейді. Бұл кезде реакция өнімдері пайда болып, олардың концентрациясы артады. Нәтижесінде кері реакция жүре бастайды және оның жылдамдығы бірте-бірте артады. Тура және кері реакциялардың жылдамдығы тең болған кезде химиялық тепе-теңдік орнайды. Сонымен, соңғы мысалда азот, сутегі және аммиак арасында тепе-теңдік орнатылған.

Химиялық тепе-теңдік динамикалық тепе-теңдік деп аталады. Бұл тепе-теңдік жағдайында тура және кері реакциялардың болатынын, бірақ олардың жылдамдықтары бірдей болатынын, нәтижесінде жүйедегі өзгерістердің байқалмайтынын атап көрсетеді.

Химиялық тепе-теңдіктің сандық сипаттамасы химиялық тепе-теңдіктің тұрақтысы деп аталатын шама. Оны йод-сутек синтезі реакциясының мысалы арқылы қарастырайық:

Массалар әрекетінің заңына сәйкес тура және кері реакциялардың жылдамдықтары мына теңдеулермен өрнектеледі:

Тепе-теңдік жағдайында тура және кері реакциялардың жылдамдықтары бір-біріне тең болады, осыдан

Тура және кері реакциялардың жылдамдық константаларының қатынасы да тұрақты болады. Бұл реакцияның тепе-теңдік константасы (К) деп аталады:

Демек, ақыры

Бұл теңдеудің сол жағында тепе-теңдік - тепе-теңдік концентрацияларында белгіленген өзара әрекеттесетін заттардың концентрациялары берілген. Теңдеудің оң жағы тұрақты (тұрақты температурада) шама.

Жалпы жағдайда қайтымды реакция болатынын көрсетуге болады

тепе-теңдік константасы мына теңдеумен өрнектеледі:

Мұнда бас әріптер заттардың формулаларын, ал кіші әріптер реакция теңдеуіндегі коэффициенттерді білдіреді.

Сонымен, тұрақты температурада қайтымды реакцияның тепе-теңдік константасы деп тепе-теңдікте орнатылатын реакция өнімдерінің концентрациялары (саны) мен бастапқы заттардың (бөлгіш) арасындағы қатынасты көрсететін тұрақты шама табылады.

Тепе-теңдік тұрақты теңдеуі тепе-теңдік жағдайында реакцияға қатысатын барлық заттардың концентрациялары өзара байланысты екенін көрсетеді. Осы заттардың кез келгенінің концентрациясының өзгеруі барлық басқа заттардың концентрациясының өзгеруіне әкеп соғады; нәтижесінде жаңа концентрациялар белгіленеді, бірақ олардың арасындағы қатынас қайтадан тепе-теңдік константасына сәйкес келеді.

Бірінші жуықтаудағы тепе-теңдік константасының сандық мәні осы реакцияның шығымдылығын сипаттайды. Мысалы, кезінде реакция шығымы үлкен, өйткені бір мезгілде

яғни тепе-теңдік жағдайында реакция өнімдерінің концентрациясы бастапқы заттардың концентрацияларынан әлдеқайда көп болады және бұл реакция шығымының жоғары екенін білдіреді. Ат (ұқсас себеппен) реакцияның шығымы аз.

Гетерогенді реакциялар кезінде тепе-теңдік константасының өрнегі, сондай-ақ массалардың әсер ету заңының өрнегі (§ 58-ді қараңыз) тек газ немесе сұйық фазада болатын заттардың концентрацияларын қамтиды. Мысалы, реакция үшін

тепе-теңдік константасы мына түрде болады:

Тепе-теңдік константасының мәні әрекеттесуші заттардың табиғатына және температураға байланысты. Ол катализаторлардың болуына байланысты емес. Жоғарыда айтылғандай, тепе-теңдік константасы тура және кері реакциялардың жылдамдық константаларының қатынасына тең. Катализатор тура және кері реакциялардың активтену энергиясын бірдей мөлшерде өзгертетіндіктен (§ 60-ды қараңыз), бұл олардың жылдамдық константаларының қатынасына әсер етпейді.

Сондықтан катализатор тепе-теңдік константасының мәніне әсер етпейді, демек, реакция шығымын арттыра да, кеміте де алмайды. Ол тек тепе-теңдіктің басталуын тездетуі немесе баяулатуы мүмкін.

АНЫҚТАУ

Химиялық реакцияолардың құрамы және (немесе) құрылымы өзгеретін заттардың өзгеруі деп аталады.

Реакция энергия мен энтропия факторларының қолайлы қатынасында мүмкін болады. Егер бұл факторлар бір-бірін теңестірсе, жүйенің күйі өзгермейді. Мұндай жағдайларда жүйелер тепе-теңдікте деп аталады.
Бір бағытта жүретін химиялық реакциялар қайтымсыз деп аталады. Көптеген химиялық реакциялар қайтымды. Бұл бірдей жағдайларда тура және кері реакциялардың болатынын білдіреді (әсіресе жабық жүйелерге келгенде).

Тура реакцияның жылдамдығы кері реакция жылдамдығына тең болатын жүйенің күйін химиялық тепе-теңдік деп атайды. . Бұл жағдайда әрекеттесуші заттардың және реакция өнімдерінің концентрациясы өзгеріссіз қалады (тепе-теңдік концентрациясы).

Тепе-теңдік константасы

Аммиак алу реакциясын қарастырайық:

N 2 (г) + 3Н 2 (г) ↔ 2 NH 3 (г)

Тура (1) және кері (2) реакциялардың жылдамдықтарын есептеу үшін өрнектерді жазайық:

1 = k 1 [ H 2 ] 3

2 = k 2 2

Тура және кері реакциялардың жылдамдықтары тең, сондықтан мынаны жаза аламыз:

k 1 3 = k 2 2

k 1 / k 2 = 2 / 3

Екі тұрақтының қатынасы тұрақты шама. Тепе-теңдік константасы – тура және кері реакциялардың жылдамдық константаларының қатынасы.

K = 2/3

түрінде көрсетілсе жалпы көрініс, онда тепе-теңдік константасы:

мА + нБ ↔ pC +qD

K = [C] p [D] q / [A] m [B] n

Тепе-теңдік константасы деп олардың стехиометриялық коэффициенттеріне тең дәрежеге көтерілген реакция өнімдерінің концентрацияларының көбейтіндісінің олардың стехиометриялық коэффициенттеріне тең дәрежеге көтерілген бастапқы заттардың концентрацияларының көбейтіндісіне қатынасын айтады.

Егер К тепе-теңдік концентрацияларымен өрнектелсе, онда К s жиі белгіленеді. Сондай-ақ газдар үшін олардың парциалды қысымдары бойынша К есептеуге болады. Бұл жағдайда K K p деп белгіленеді. K s және K p арасында байланыс бар:

K p \u003d K c × (RT) Δn,

Мұндағы Δn – әрекеттесуші заттардан өнімдерге өту кезіндегі газдардың барлық мольдерінің санының өзгеруі, R – әмбебап газ тұрақтысы.

К концентрацияға, қысымға, көлемге және катализатордың болуына тәуелсіз және температура мен әрекеттесуші заттардың табиғатына тәуелді. Егер К 1-ден әлдеқайда аз болса, онда қоспада бастапқы заттар көп, ал 1-ден көп болған жағдайда қоспада өнімдер көп болады.

Гетерогенді тепе-теңдік

Реакцияны қарастырыңыз

CaCO 3 (теледидар) ↔ CaO (теледидар) + CO 2 (г)

Тепе-теңдік константасының өрнегі қатты фазаның компоненттерінің концентрациясын қамтымайды, сондықтан

Химиялық тепе-теңдік жүйенің барлық компоненттерінің қатысуымен болады, бірақ тепе-теңдік константасы қатты фазадағы заттардың концентрацияларына тәуелді емес. Химиялық тепе-теңдік динамикалық процесс. К реакцияның жүруі туралы, ал ΔG - оның бағыты туралы ақпарат береді. Олар бір-бірімен байланысты:

ΔG 0 = -R × T × lnK

ΔG 0 = -2,303 × R × T × lgK

Химиялық тепе-теңдіктің ауысуы. Ле Шателье принципі

Технологиялық процестер тұрғысынан қайтымды химиялық реакциялар пайдалы емес, өйткені реакция өнімінің шығымдылығын қалай арттыруға болатынын білу қажет, яғни. химиялық тепе-теңдікті реакция өнімдеріне қарай ығыстыруды үйрену керек.

Аммиак шығымын арттыру қажет болатын реакцияны қарастырайық:

N 2 (г) + 3Н 2 (г) ↔ 2NH 3 (г), ΔН< 0

Тепе-теңдікті тура немесе кері реакция бағытына ауыстыру үшін қолдану қажет Ле Шателье принципі: тепе-теңдіктегі жүйеге сырттан қандай да бір фактор әсер етсе (температураның, қысымның, көлемінің, заттардың концентрациясының жоғарылауы немесе төмендеуі), онда жүйе бұл әсерге қарсы әрекет етеді.

Мысалы, тепе-теңдік жүйесіндегі температура жоғарыласа, онда 2-ден ықтимал реакцияларэндотермиялық болатын адам кетеді; Егер қысым жоғарыласа, тепе-теңдік реакция бағытына ауысады үлкен санзаттардың мольі; егер жүйедегі көлем азайса, онда тепе-теңдіктің ығысуы қысымның жоғарылауына бағытталады; егер бастапқы заттардың біреуінің концентрациясы жоғарыласа, онда мүмкін болатын 2 реакцияның біреуі шығады, бұл өнімнің тепе-теңдік концентрациясының төмендеуіне әкеледі.

Сонымен, қарастырылып отырған реакцияға қатысты аммиак шығымын арттыру үшін бастапқы заттардың концентрациясын арттыру қажет; температураны төмендетіңіз, өйткені тікелей реакция экзотермиялық, қысымды арттырыңыз немесе көлемді азайтыңыз.

Есептерді шешу мысалдары

МЫСАЛ 1

Барлық химиялық реакцияларды екі топқа бөлуге болады: қайтымсыз және қайтымды e реакциялар. қайтымсыз реакцияларағынын соңына дейін (реагенттердің біреуінің толық тұтынылуына дейін) және ішінде қайтымдыәрекеттесуші заттардың ешқайсысы толығымен жұмсалмайды, өйткені қайтымды реакция тура бағытта да, кері бағытта да жүруі мүмкін.

Қайтымсыз реакцияның мысалы:

Zn + 4HNO 3 → Zn(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

Қайтымды реакцияның мысалы:

Бастапқыда алға бағытталған реакцияның жылдамдығы v pr үлкен, ал кері реакцияның жылдамдығы v vol нөлге тең

Тура және кері реакциялардың жылдамдықтарының τ уақытқа тәуелділігі. Бұл жылдамдықтар тең болғанда химиялық тепе-теңдік орнайды.

Реакция жүріп жатқанда бастапқы заттар жұмсалады және олардың концентрациясы төмендейді. Бұл кезде реакция өнімдері пайда болады, олардың концентрациясы жоғарылайды. Нәтижесінде кері реакция жүре бастайды және оның жылдамдығы бірте-бірте артады. Тура және кері реакциялардың жылдамдығы тең болған кезде химиялық тепе-теңдік орнайды. Ол динамикалық, өйткені жүйедегі заттардың концентрациясы тұрақты болғанымен, реакция тура бағытта да, кері бағытта да жалғасады.

Тең болса vсағ vтуралы олардың өрнектерін массалар әрекетінің заңы бойынша теңестіруге болады *. Мысалы, сутегінің йодпен қайтымды әрекеттесуі үшін:

к pr ··= к 2 том немесе

Қатынас тура және кері реакциялардың жылдамдық константалары (Қ) тепе-теңдік константасы деп аталады. Тұрақты температурада тепе-теңдік константасы – тепе-теңдік жағдайында орнатылатын өнімдер мен бастапқы заттардың концентрацияларының арасындағы қатынасты көрсететін тұрақты шама. Мән Қәрекеттесуші заттардың табиғатына және температураға байланысты.

Сыртқы жағдайлар тұрақты болғанша жүйе тепе-теңдік күйінде болады. Реакцияға қатысатын заттардың кез келгенінің концентрациясының жоғарылауымен тепе-теңдік осы затты тұтынуға қарай ығысады; кез келген заттардың концентрациясы төмендегенде тепе-теңдік осы заттың түзілуіне қарай ығысады.

қайтымдыхимиялық кинетикада мұндай реакциялар бір уақытта және тәуелсіз екі бағытта - тура және кері, бірақ әртүрлі жылдамдықпен жүретін реакциялар деп аталады. Қайтымды реакциялар үшін олар басталғаннан кейін біраз уақыттан кейін тура және кері реакциялардың жылдамдықтары тең болып, химиялық тепе-теңдік күйінің орнауы тән.

Барлық химиялық реакциялар қайтымды, бірақ белгілі бір жағдайларда олардың кейбіреулері бастапқы өнімдер толығымен дерлік жойылғанша бір бағытта ғана жүре алады. Мұндай реакциялар деп аталады қайтымсыз. Әдетте, реакция аймағынан кем дегенде бір реакция өнімі жойылатын реакциялар қайтымсыз (ерітінділерде реакция болған жағдайда ол тұнбаға түседі немесе газ түрінде бөлінеді) немесе үлкен оң әсермен жүретін реакциялар. жылу эффектісі. Иондық реакциялар жағдайында реакция өте аз еритін немесе аз диссоциацияланған заттың түзілуіне әкелетін болса, реакция іс жүзінде қайтымсыз.

Мұнда қарастырылатын реакцияның қайтымдылығы түсінігі термодинамикалық қайтымдылық түсінігімен сәйкес келмейді. Термодинамикалық мағынада кинетикалық қайтымды реакция қайтымсыз жүруі мүмкін. Реакцияны термодинамикалық мағынада қайтымды деп атау үшін тура процестің жылдамдығы кері процестің жылдамдығынан шексіз аз ерекшеленуі керек, демек, тұтастай алғанда процесс шексіз баяу жүруі керек.

Идеал газ қоспаларында және идеалды сұйық ерітінділерде қарапайым (бір сатылы) реакциялардың жылдамдығы бағынады. масса әрекетінің заңы. Жылдамдық химиялық реакция(1.1) (1.2) теңдеуімен сипатталады, ал тікелей реакция жағдайында оны келесі түрде көрсетуге болады:

мұндағы – тура реакция жылдамдығының константасы.

Осылайша кері реакцияның жылдамдығы:

Сондықтан тепе-теңдікте:

Бұл теңдеу идеалды жүйелердегі химиялық тепе-теңдік үшін массаның әсер ету заңын өрнектейді; К - к о н с т а н т а р а в н о в е с және и.

Реакция константасы берілген шарттарда реакциялық қоспаның тепе-теңдік құрамын табуға мүмкіндік береді.

Реакция жылдамдығы үшін массаның әсер ету заңын келесідей түсіндіруге болады.

Реакция актісі болуы үшін бастапқы заттардың молекулаларының соқтығысуы қажет, яғни. молекулалар бір-біріне атомдық өлшемдер тәртібінің қашықтықта жақындауы керек. Берілген сәтте кейбір шағын көлемде табу ықтималдығы л L затының молекулалары, М затының m молекулалары және т.б. пропорционалды ..... , демек, уақыт бірлігіндегі көлем бірлігіне соқтығыстар саны осы шамаға пропорционал; бұл (1.4) теңдеуді білдіреді.