Константа равновесия

Количественное описание обратимых реакций можно проводить с помощью закона действующих масс (закона действия масс), который был открыт в 867 г. норвежскими учеными — математиком Гульдбергом и химиком Вааге.

Применительно к простым гомогенным реакциям типа aА + bВ = cС + dD, закон действующих масс формулируется так: химическая реакция находится в состоянии равновесия, если отношение произведения концентраций продуктов к произведению концентраций реагентов достигает постоянного значения, характерного для этой реакции при данной температуре.

Математическое выражение закона действующих масс через концентрации веществ (с) или активности (а) для простых реакций запишется так:

Для проведения практических расчетов выражение закона действующих масс записывают через концентрации, соответствующие состоянию химического равновесия, такие концентрации обозначают формулами веществ, заключенными в квадратные скобки:

Величина К_Р называется константой равновесия. Она зависит только от температуры.

Обычно в законе действующих масс содержание каждого вещества задают его равновесной молярной концентрацией, выраженной в моль/л, но он может быть записан с указанием равновесных мольных долей (х) или равновесных парциальных давлений (р) веществ.

Запись закона действующих масс через молярные концентрации удобна прежде всего для реакций, протекающих в растворах. Мольные доли более подходят для описания реакций между газообразными веществами.

Например. Для обратимой реакции синтеза аммиака N₂ + 3H₂ « 2NH₃, константа равновесия равна: K_P=[NH₃]²/[N₂][H₂]³.

Для каждой химической реакции при Т = const величина К_P имеет вполне определенное, присущее только этой реакции значение и при изменении температуры значениё К_P данной реакции меняется. Константа равновесия реакций может быть рассчитана по экспериментальным данным, для многих реакций значения К_P приведены в справочниках.

В выражении закона действующих масс концентрации продуктов стоят в числителе, а концентрации реагентов — в знаменателе, поэтому действительны следующие утверждения:

чем выше константа равновесия, тем в большей степени в равновесной реакционной смеси преобладают продукты;

чем ниже константа равновесия, тем в большей степени в равновесной реакционной смеси преобладают реагенты.

Для гомогенных реакций типа aА + bВ = cС + dD и всех других реакций, в которых суммарное количество продуктов равно суммарному количеству реагентов, справедливы следующие закономерности:

в равновесной реакционной смеси при К_P > 1 преобладают продукты, концентрация продуктов выше концентрации реагентов;

при К_P = 1 концентрации реагентов и продуктов одинаковы;

при К_P < 1 преобладают реагенты, концентрация реагентов выше концентраций продуктов.

Эти же выводы получаются при подстановке соответствующих значений К_P в выражение для расчета стандартной энергии Гиббса реакции.