Принцип Ле-Шателье (принцип подвижного химического равновесия)

Изменения, происходящие в равновесной системе в результате внешних воздействий, определяются принципом подвижного химического равновесия – принципом Ле-Шателье:

Внешнее воздействие на систему, находящуюся в состоянии равновесия, приводит к смещению этого равновесия в направлении, при котором эффект произведенного воздействия ослабляется.

Рассмотрим применение принципа Ле-Шателье к различным типам внешнего воздействия.

Влияние изменения температуры. Для большинства химических реакций изменение температуры приводит к сдвигу равновесия. Фактором, определяющим направление этого смещения, является тепловой эффект химической реакции: при повышении температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции (∆Н>0), а при понижении – в направлении экзотермической реакции (∆Н<0). Чем больше тепловой эффект, тем больше влияние температуры.

Влияние изменения давления. Когда в реакции участвуют газы, равновесие может нарушаться при изменении объёма системы. Если внешнее воздействие состоит в увеличении давления, т.е. сжатии газа, то содержание молекул в единице объема возрастает, и наоборот. Поэтому при повышении давления равновесие смещается в сторону той реакции, которая идёт с уменьшением числа молекул. Если реакция протекает без изменения числа молекул газообразных веществ, то давление не влияет на положение равновесия в системе.

Изменение этого параметра вызывает смещение равновесия только в таких реакциях, в которых суммы стехиометрических коэффициентов в левой и правой частях уравнения реакции не равны.

Влияние изменения концентраций. В равновесной системе согласно уравнению (6.8.) нельзя изменить концентрацию только одного из веществ, не вызывая изменений концентраций всех остальных. Таким образом, при увеличении концентрации какого-либо из веществ, участвующих в равновесии, равновесие смещается в сторону расхода этого вещества, при уменьшении концентрации какого-либо из веществ равновесие смещается в сторону образования этого вещества.

Задачи и упражнения

Пример 1. Как изменится скорость образования оксида азота (IV) в реакции: 2NO_(г) + O_2(г) → 2NO_2(г), если давление в системе увеличить в 3 раза, а температуру оставить неизменной?

Решение:

1. По формуле (6.3.) рассчитаем начальную скорость реакции:

2. По условию реакция протекает в газовой фазе. Для таких реакций изменение концентрации реагентов кратно изменению давления (см. 6.2.2.). Следовательно, после 3-кратного увеличения давления:

3. Находим соотношение значений полученных скоростей:

.

Ответ: Скорость реакции увеличится в 27 раз.

Пример 2. В интервале температур от 0 до 60 ^оС скорость некоторой реакции увеличивается в 2,5 раза при повышении температуры на каждые 10 ^оС. Во сколько раз увеличится скорость при повышении температуры от 20 до 45 ^оС?

Решение:

1. По условию задачи γ = 2,5, отсюда уравнение (6.5.):

.

2. Изменение скорости реакции в интервале температур 20 – 45 ^оС:

Ответ: Скорость реакции увеличивается в 9,88 раз

Пример 3. Рассчитать константу равновесия при некоторой заданной температуре для обратимой реакции СО + Н₂О ↔ СО₂ + Н₂, учитывая, что в состоянии равновесия концентрации участвующих в реакции веществ были равны: [CO] = 0,16 моль/л, [H₂O] = 0,32 моль/л, [CO₂] = 0,32 моль/л, [H₂] = 0,32 моль/л. Определить исходные концентрации угарного газа и воды.

Решение:

1. Составим уравнение константы равновесия данной реакции согласно уравнению (6.8.):

2. Для исходных веществ кроме равновесных концентраций можно рассчитать концентрации, израсходованные на химическое взаимодействие (С_изр) и исходные (С_исх). Согласно условию задачи, значение С_изр(СО) = С_изр(Н₂О) = [СО₂] = 0,32 моль/л.

3. Исходные концентрации веществ:

С_исх(H₂O) = С_изр (H₂О) + [H₂О] = 0,32 + 0,32 = 0,64 моль/л.

С_исх(СO) = С_изр (СО) + [СО] = 0,32 + 0,16 = 0,48 моль/л.

Ответ: К_{равн =} 2. С_исх(H₂O) = 0,64 моль/л. С_исх(СO) = 0,48 моль/л.

Пример 4. Какие факторы способствуют смещению равновесия в сторону образования продуктов в реакции: СО_2(г) + С_(т) ↔ 2СО_(г), ∆Н = 72,6 кДж.

Решение:

1. Данная реакция эндотермическая, (∆Н > 0), поэтому для смещения равновесия в сторону прямой реакции необходимо повышение температуры.

2. Для достижения этой цели необходимо также понизить давление, т.к. в прямой реакции образуется 2 молекулы, занимающие больший объём, по сравнению с одной молекулой в обратной реакции.

3. Введение в систему дополнительного количества СО₂ (увеличение концентрации) и отвод (уменьшение концентрации) продукта реакции СО₂ позволяет также сместить равновесие в направлении прямой реакции.

Вопросы для самопроверки

1. Как определяется скорость химической реакции? От каких факторов она зависит?

2. Каков физический смысл константы скорости химической реакции?

3. Влияние какого фактора на скорость реакции описывает правило Вант-Гоффа?

4. Что такое гомогенный и гетерогенный катализ?

5. Какие реакции называются обратимыми?

6. Условия необратимости химической реакции?

7. Сравните формулировки закона действующих масс для химического равновесия и для скорости химической реакции.

8. Какие факторы влияют на положение равновесия в гомогенных газообразных и жидких системах? Как они влияют?

9. Сформулируйте принцип Ле-Шателье.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: