Обратимые реакции

Химические реакции заключаются во взаимодействии реагентов с образованием продуктов. Не следует, однако, полагать, что направление химической реакции только одно (реагенты®продукты). В действительности, химические реакции протекают и в прямом, и в обратном направлениях.

Все химические реакции, в принципе, обратимы. Это означает, что в реакционной смеси осуществляется как взаимодействие реагентов (при этом образуются продукты), так и взаимодействие продуктов (при этом образуются реагенты). В этом смысле различие между реагентами и продуктами чисто условное, оно определяется записью уравнения обратимой реакции: слева от знака обратимости « записывают формулы реагентов, справа — формулы продуктов.

Например: В закрытой реакционной системе, содержащей первоначально ртуть и кислород, могут протекать реакции: 2Нg + O₂ ® 2НgО; 2Нg ® 2Нg + O₂.

Таким образом, в данной системе развиваются одновременно протекающие два процесса, и суммарное уравнение обратимой реакции следует записать так: 2Нg + O₂ « 2НgО.

В соответствии с уравнением конкретной обратимой реакции различают прямую реакцию, протекающую по уравнению слева направо, и обратную реакцию, протекающую по уравнению справа налево.

Конкретная запись обратной реакции часто определяется также тем, какие вещества были исходными при экспериментальном проведении реакции, а какие — конечными, т. е. образовавшимися в процессе ее протекания.

Направление протекания химической реакции определяется условиями ее проведения (температурой, давлением, концентрацией веществ).

Многие реакции имеют одно преимущественное направление и для проведения таких реакций в противоположном направлении требуются экстремальные условия. В подобных реакциях происходит почти полное превращение реагентов в продукты.

П р и м е р. Железо и сера при умеренном нагревании реагируют между собой с образованием сульфида железа(П), FeS при таких температурах устойчив и практически не разлагается на железо и серу: Fe + S ® FeS.

В химических реакциях, которые способны при заданных условиях протекать в обоих направлениях, не происходит взаимодействия веществ без остатка. Особенно это характерно для гомогенных реакций (реакции между газами, реакции в растворе).

П р и м е р. Реакция синтеза аммиака является обратимой N₂ + 3H₂ « 2NH₃.

При 20 МПа и 400°С достигается максимальное и равное 36 % (по объему) содержание NН₃ в реакционной смеси. При дальнейшем повышении температуры вследствие усиленного протекания обратной реакции объемная доля аммиака в смеси уменьшается.

Прямая и обратная реакции протекают одновременно в противоположных направлениях.

Зависимость между прямой и обратной реакциями количественно выражается через скорость реакции. Скорость химической реакции зависит от числа реагирующих (т. е. соударяющихся) частиц. В первый момент протекания обратимой реакции в системе содержатся только частицы исходных веществ (например, в синтезе аммиака — N₂ и Н₂). Поэтому в первый момент протекает только прямая реакция, причем с очень высокой скоростью. При появлении частиц конечных веществ (в синтезе аммиака — NН₃) развивается обратная реакция, причем вначале с очень малой скоростью.

По мере протекания прямой реакции накапливается все большее число частиц конечных веществ, которые принимают участие в обратной реакции, поэтому скорость обратной реакции все больше возрастает. Одновременно уменьшается число частиц исходных веществ, и скорость прямой реакции все больше уменьшается. В результате в реакционной системе достигается состояние, при котором скорости прямой и обратной реакций равны. Такое состояние реакционной системы называется состоянием химического равновесия. При химическом равновесии обе реакции, прямая и обратная, продолжают протекать, следовательно, это равновесие динамическое (а не статическое), или подвижное.

Во всех обратимых реакциях скорость прямой реакции уменьшается, скорость обратной реакции возрастает до тех пор, пока обе скорости не станут равными и не установится состояние равновесия.

Рис. 4. Изменение во времени скорости прямой и обратной реакций до достижения состояния равновесия.

Соотношение концентраций веществ, участвующих в реакции (реагентов, продуктов), в состоянии равновесия отвечает положению равновесия.

Например: При обратимой реакции электролитической диссоциации воды лиШь очень незначительная часть молекул воды вступает в эту реакцию): H₂O H⁺ + OH^-.

Поэтому говорят, что положение равновесия находится в области недиссоциированных молекул Н₂О.

Каждая химическая реакция, проводимая в определенных условиях, имеет присущее только ей положение равновесия.

Для одних и тех же условии соответствующее положение равновесия не зависит от того, реагенты или продукты реакции были исходными веществами.

Выбор условий проведения обратимых реакций является практически важной проблемой для обеспечения эффективности химико-технологических процессов, т. е. для получения оптимального количества необходимых веществ.