ХІМІЧНА РІВНОВАГА

Хімічні реакції поділяються на гомогенні і гетерогенні. Хімічна реакція, що протікає в межах однієї фази, називається гомогенною. До гомогенних реакцій відносяться хімічні процеси, що протікають у газовій фазі і рідких розчинах. Хімічна реакція, що протікає на межі розділу фаз, називається гетерогенною.

Поняття хімічної рівноваги. Розглянемо гомогенну реакцію. Речовини А і В реагують між собою за рівнянням:

aА + bВ « eE + fF,

де Е і F - кінцеві речовини;

а, в, e, f - стехіометричні коефіцієнти.

В залежності від умов дана реакція може протікати самодовільно як у прямому, так і в зворотньому напрямку. Хімічна реакція протікає самодовільно доти, доки не буде досягнено хімічної рівноваги між реагуючими речовинами. Умови хімічної рівноваги можуть визначатися термодинамічним чи кінетичним методами.

Термодинамічно хімічна рівновага встановлюється як співвідношення концентрацій вихідних речовин і продуктів реакцій, при якому вільна енергія системи має мінімальне значення; кінетично хімічна рівновага визначається як стан, при якому швидкості прямої і зворотної реакцій рівні, при цьому рівновага встановлюється тоді, коли склад суміші при постійних зовнішніх умовах з часом не змінюється.

Хімічна рівновага характеризується рухливістю. Якщо система, що знаходиться в рівновазі, буде в незначному ступені виведена з цього положення зовнішнім впливом (зміною температури, тиску і т.і.), то за умов припинення останнього, вона самодовільно повертається в колишній стан. Система, стан якої характеризується двома ознаками - незмінністю складу і рухливістю, називається рівноважною системою, а склад її - рівноважним складом.

У складі рівноважної суміші концентрації вихідних речовин і кінцевих продуктів знаходяться у визначеному співвідношенні.

Швидкість реакції прямо пропорційна концентраціям реагуючих речовин у ступенях, рівних стехіометричним коефіцієнтам, тобто у випадку даної реакції:

V₁ = k₁C^a_AC^b_B i V₂ = k₂C^e_EC^f_F

При рівновазі V₁ = V₂ = k₁C^a_AC^b_B = k₂C^e_EC^f_F , звідси:

(3.1)

де C_A, С_B , C_E , C_F концентрації відповідних речовин;

k₁ і k₂ - константи швидкості відповідно прямої і зворотньої реакції;

К_C - константа рівноваги, виражена через рівноважні молярні концентрації.

Рівновага системи може зміщуватися при зміні початкової концентрації реагуючих речовин, а константа рівноваги залишається незмінною при постійній температурі.

Залежність константи рівноваги від температури виражається рівнянням ізобари хімічної реакції:

(3.2)

де DН° - зміна ентальпії системи.

Рис. 3.1. Залежність константи рівноваги реакції від температури

У випадку хімічних процесів зміна ентальпії системи DН відповідає тепловому ефекту реакції, якщо ця реакція проведена при постійному тиску. Знак теплового ефекту визначає знак похідної в рівнянні. Якщо DН>0, тобто хімічна реакція ендотермічна, знак похідної буде позитивний, отже, константа рівноваги зі збільшенням температури зростає. Якщо, DН<0, тобто хімічна реакція йде з виділенням теплоти, то реакція - екзотермічна; знак похідної негативний, отже, константа рівноваги зі збільшенням температури зменшується. Якщо DН=0, тобто хімічна реакція відбувається без теплового ефекту, константа рівноваги не залежить від температури (рис. 3.1). Якщо прийняти, що тепловий ефект хімічної реакції не залежить від температури, то після інтегрування рівняння ізобари одержимо рівняння:

(3.3)