Хімічна рівновага. Зміщення хімічної рівноваги. Принцип Ле-Шательє

Хімічна рівновага. Зміщення хімічної рівноваги. Принцип Ле-Шательє.

Під час оборотних реакцій речовини не витрачаються повністю. Утворені продукти знову взаємодіють між собою за тих самих умов. Під час перебігу прямої реакції концентрація реагентів зменшується, оскільки вони витрачаються на утворення продуктів. Однак настає момент, коли концентрація продуктів реакції різко зростає, а швидкості прямої та зворотної реакцій стають однаковими, тобто зрівноважуються. Стан системи, при якому швидкість прямої реакції дорівнює швидкості зворотної реакції, називається хімічною рівновагою. Концентрації реагентів і продуктів, що відповідають стану рівноваги, називаються рівноважними.  Наприклад, якщо суміш водню і йоду нагрівати при 410 °С в закритій посудині, то 78 % вихідних реагентів перетворюються на гідроген йодид. За цих же умов 22 % гідроген йодиду розпадається на водень і йод. Як в першому, так і в другому випадку встановлюється стан, який за даної температури характеризується постійним співвідношенням кількості водню, йоду і гідроген йодиду. Зауважимо, що повністю необоротних реакцій немає, і будь-який з незворотних процесів, може бути перетворений в оборотний. Наприклад, розкладання кальцій карбонату – реакція необоротна, якщо здійснюється у відкритій системі, тобто в системі, в якій можливе видалення карбон(IV) оксиду зі сфери реакціїСа. СО3 = Са. О + СО2. Разом з тим при здійсненні тієї ж реакції в замкнутій системі процес розкладання кальцій карбонату  йде лише до того часу, поки в системі не встановиться цілком певний тиск, що перешкоджає подальшому розкладанню. В такому випадку ця реакція стає оборотною. Са. СО3 ⇄ Са. О + СО2.

Стан хімічної рівноваги при незмінних зовнішніх умовах може зберігатися як завгодно довго до того часу, поки не змінюються зовнішні умови. Зміна температури, тиску або концентрації реагентів виводять систему зі стану рівноваги. Як тільки в системі порушується рівновага, швидкості прямої і зворотної реакцій стають неоднаковими і в системі переважно протікає процес, який знову викликають стан рівноваги, але вже відповідає новим умовам. Вплив зовнішніх чинників на стан хімічної рівноваги визначають за правилом, яке було сформульоване в 1884 р. А. Л. Ле Шательє та дістало назву принцип Ле Шательє. Якщо на систему, що перебуває в стані хімічної рівноваги, подіяти ззовні (змінити температуру, тиск або концентрацію), то рівновага зміститься в бік, протилежний створеній умові. Використання каталізаторів не впливає на зміщення хімічної рівноваги, тому що вони однаково пришвидшують пряму й зворотну реакції.

Значення принципу Ле Шательє.  Принцип Ле Шательє має вагоме значення в хімічному виробництві. Він дає змогу передбачити напрямок перебігу хімічної реакції за різних умов і, отже, керувати виробничими процесами. Принцип Ле Шательє важливий для процесів, що відбуваються в біосфері. Відомо, що біологічно активні речовини постійно циркулюють у біосфері, тобто здійснюється її саморегуляція. Вона підтримується завдяки природним біологічним процесам живих організмів. Принцип Ле Шательє пояснює стійкість довкілля так: усі геофізичні й космічні зміни компенсуються змінами у функціонуванні живих організмів. Ці організми разом з довкіллям формують біосферу нашої планети. Зміни природних біологічних процесів, пов'язаних з живими організмами, призводять до порушення умов навколишнього середовища. Отже, кожна людина повинна пам'ятати, що втручання в природні процеси довкілля може спричинити відповідні екологічні незворотні наслідки на шкоду самій людині.

Вплив зміни температури на стан хімічної рівноваги При підвищенні температури прискорюються як пряма, так і зворотна реакції, але по різному. Як правило, ендотермічний процес прискорюється в більшою мірою, ніж екзотермічний, а при зниженні температури  швидше протікає екзотермічна.  При підвищенні температури рівновага зміщується в бік ендотермічної реакції, а при зниженні – в бік екзотермічної. Чим більший тепловий ефект реакції, тим сильніший вплив температури на зміщення рівноваги. Вплив зміни концентрації на стан хімічної рівноваги Якщо до системи, що знаходиться в стані рівноваги, додати хоча б одну з речовин, що беруть участь в реакції, то швидкості прямого і зворотного процесів зміняться, але таким чином, що система знову прийде в стан рівноваги. У цьому новому стані концентрації всіх речовин будуть відрізнятися від початкових, але співвідношення між ними,що визначається константою рівноваги, залишиться тим самим. Тобто, в рівноважній системі не можна змінити концентрацію тільки однієї речовини, не змінюючи концентрації всіх інших.

Вплив зміни тиску на стан хімічної рівноваги При підвищенні тиску рівновагу реакції зміщується в напрямку утворення речовин, що займають менший об’єм, і, навпаки, зниження тиску сприяє процесу, що супроводжується збільшенням об’єму. Тобто при підвищенні тиску хімічна рівновага зміщується в бік утворення меншої кількості молекул газуватих речовин, а при зниженні тиску – вбік збільшення кількості молекул газів.  Наприклад, перетворення нітроген(ІV) оксиду на його димер, яка відбувається в газовій фазі, 2 NO2(г)  ⇄ N2 O4(г)призводить до зменшення кількості молекул газоподібних речовин, а значить до пониження тиску, а зворотня реакція перетворення N2 O4  у NO2 – до збільшення кількості молекул і  підвищення тиску. За кімнатної температурі NO2 – газ темно-коричневого кольору (його називають «бурим» газом). Продукт його димеризації N2 O4 – безбарвний. Обидва гази за звичайних умов присутні в суміші, тобто знаходяться в стані хімічної рівноваги. При зменшенні в такий системі тиску рівновага зсувається  – в бік утворення NO2 і суміш набуває більш темного кольору.