Принцип Ле Шетелье легко объясняет смещение химического равновесия. Но что же такое химическое равновесие?
Теория
Химическое равновесие - это такое состояние системы, при котором скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции
Для понимая можно привести классический пример:
На данной картинке записано уравнение обратимой реакции. Направление реакции показано стрелочкой, если стрелочка направлена вправо, то реакцию называют прямой, если влево - обратной. В один момент времени в этой системе происходит сразу две реакции:
- Образование аммиака из водорода и азота (прямая реакция)
- Разложение аммиака на водород и азот (обратная реакция)
Итак, если скорость 1 реакции равна скорости 2, то система находится в химическом равновесии. Ещё неплохо было бы привести определение химической скорости.
Скорость химической реакции - это изменение концентрации одного из реагирующих веществ в единицу времени
Для окончательно перехода к принципу Ле Шетелье и воздействию на химически равновесную систему, стоит подробнее остановится на нашем примере, и показать конкретно, в чем состоит смысл равновесия
Физический смысл равновесия системы
Вернёмся к нашему примеру и рассмотрим обратную реакцию, разложение аммиака. На самом деле ничего сложно здесь нет:
- NH3 разлагается на H2 и N2
- H2 и N2 превращаются в NH3
И данная реакция (в идеальных условиях) может протекать бесконечно, поскольку аммиак, который разлагается никогда не кончится, ведь этот самый аммиак будет снова и снова возвращаться обратно.
Принцип Ле Шетелье
Если на систему, находящуюся в равновесии произвести какое-то внешнее воздействие равновесие сместится в сторону, ослабевающую это равновесие. Благодаря этому законы, мы можем воздействовать на равновесную систему, и изменять скорости химических реакций.
Рассмотрим следующий пример:
Q-CaCO3(тв)=CaO(тв)+CO2(г)+Q
"=" знак обратимой реакции, (тв)-твёрдое вещество, (г)-газообразное, (ж)-жидкое вещество. Агрегатное состояние вещества очень важно для смещения реакции. +- Q- показывает, затрачивает реакция тепло или отдаёт его. Если "-", то затрачивает, если "+" то отдаёт.
То есть, если мы в данной реакции захотим уменьшить концентрацию CaCO3 (или увеличить концентрацию CaO и CO2) то нам нужно сместить равновесие в сторону прямой реакции, то есть увеличить скорость разложения CaCO3. Если захотим увеличить концентрацию CaCO3 то нужно сместить равновесие в сторону обратной реакции.
Практика
Сместить равновесие можно тремя факторами:
- Непосредственным изменением концентрации
- Изменением температуры
- Изменением давления
1)Начнём с концентрации.
При изменении концентрации, равновесие смещается в сторону меньшей концентрации.
Как изменится равновесие системы, при увеличении концентрации CO?
Q+CO2(г)+C(тв)=2CO(г)-Q
Ответ: Равновесие сместится в обратную сторону (в сторону регентов реакции), так как концентрация реагентов, в сравнении с концентрацией CO будет меньше.
Стоит так же отметить, что добавление в систему веществ, не являющихся участниками реакции никак не повлияет на смещение равновесия
2)Температура
При повышении температуры равновесие сместится в сторону эндотермической реакции, а при понижении, переходит в сторону экзотермической реакции
Определения:
Эндотермическая реакция - реакция, сопровождающаяся поглощением тепла (-Q)
Экзотермическая реакция - реакция, которая протекает с выделением тепла (+Q)
Q+С(тв)+H2O(г)=CO(г)+H2(г)-Q
При повышении температуры, равновесие будет смещаться в сторону эндотермической реакции - прямая реакция (-Q). И наоборот - при понижении, будет смещаться в сторону экзотермической реакции - обратная реакция (+Q).
Как сместится равновесие системы, если повысить температуру?
-Q+2CO(г)+O2(г)=2CO2(г)+Q
Ответ: равновесие сместится в сторону обратной реакции (в сторону реагентов)
3) Давление
Изменение давления влияет только на газообразные вещества
При повышении давления равновесие сместится в сторону той реакции, в которой меньше моль газообразного вещества, а при повышении давления равновесие смесится в сторону большего количества моль вещества.
H2(г)+CO(г)=H2O(г)+C(тв)
Считаем количество моль (коэффициентов) газообразных веществ. Если перед веществом нет коэффициентов, то принимаем коэффициент равный 1. В правой части коэффициентов газообразных веществ меньше (в левой части их 2, в правой 1) , следовательно при повышении давления равновесие сместится в сторону прямой реакции, и наоборот, при понижении давления, равновесие сместится в сторону реагентов.
Как сместится равновесие системы при понижении давления?
2Fe3O4(тв)+CO2(г)=3Fe2O3(тв)+CO(г)
Ответ: равновесие не изменится, потому что количество коэффициентов газообразных веществ в левой и в правой части одинаковое
