ХИМИЧНО РАВНОВЕСИЕХИМИЧНО РАВНОВЕСИЕ

Необратими и обратими химични Необратими и обратими химични процесипроцесиХимично равновесие. Особености на Химично равновесие. Особености на химичното равновесиехимичното равновесиеФактори, влияещи на химичното Фактори, влияещи на химичното равновесиеравновесиеСкорост и равновесиеСкорост и равновесие

Необратими химични Необратими химични процесипроцеси

Химични реакции, при които крайните продукти Химични реакции, при които крайните продукти не могат да взаимодействат помежду си и не могат да взаимодействат помежду си и отново да се получат изходните вещества се отново да се получат изходните вещества се наричат наричат необратими.необратими.

Пример:Пример: Запален, спиртът (С Запален, спиртът (С22НН55ОН) гори с ОН) гори с

отделяне на СОотделяне на СО2 2 и Ни Н22О:О:

При изчерпване на спиртните пари процесът При изчерпване на спиртните пари процесът спира. Обратното взаимодействие между спира. Обратното взаимодействие между крайните продукти (въглероден диоксид и вода) крайните продукти (въглероден диоксид и вода) до получаване на изходните вещества (спирт и до получаване на изходните вещества (спирт и кислород) не е възможно.кислород) не е възможно.

Необратимите процеси протичат докрай.Необратимите процеси протичат докрай.

QОНСОООННС 22252 323

Обратими химични процесиОбратими химични процесиХимични реакции, при които крайните Химични реакции, при които крайните продукти могат да реагират помежду си и продукти могат да реагират помежду си и да образуват изходните вещества, се да образуват изходните вещества, се наричат наричат обратими.обратими.

Пример 1:Пример 1: При температури от 450 до 1 000 При температури от 450 до 1 000°°С водородът и С водородът и кислородът се съединяват във вода:кислородът се съединяват във вода:

Над тази температура започва забележимото разпадане Над тази температура започва забележимото разпадане на водата до водород и кислород. Над 3 000на водата до водород и кислород. Над 3 000°°С С разпадането е пълно и в сместа практически няма водни разпадането е пълно и в сместа практически няма водни пари:пари:

ОНОН Сдо2

100022 22

223000

2 22 ОНОН Снад

Пример 2:Пример 2: При нагряване над 900 При нагряване над 900°°С варовикът С варовикът се разпада, при което се получават негасена се разпада, при което се получават негасена вар и въглероден диоксид:вар и въглероден диоксид:

При стайна температура протича обратният При стайна температура протича обратният процес:процес:

При този процес варта отново се превръща в При този процес варта отново се превръща в твърдия и траен карбонат. Това я определя твърдия и траен карбонат. Това я определя като свързващо вещество.като свързващо вещество.

2900

3 СОСаОСаСО Снад

атемпературстайна

СОСаО 2 3СаСО

Прието е едната реакция да се нарича Прието е едната реакция да се нарича праваправа, а другата – , а другата – обратна. обратна. Реагиращите вещества на правата Реагиращите вещества на правата реакция се записват в лявата страна на реакция се записват в лявата страна на уравнението.уравнението. Реализирането на Реализирането на правата или обратната реакция зависи правата или обратната реакция зависи от условията, при които протича от условията, при които протича процесът. В някои случаи е процесът. В някои случаи е невъзможно да се осигурят невъзможно да се осигурят подходящите условия и реакцията подходящите условия и реакцията протича само в едната посока.протича само в едната посока.

Химично равновесиеХимично равновесиеПример:Пример: Обратимият химичен Обратимият химичен процес на взаимодействие между процес на взаимодействие между водород и йод, при който се водород и йод, при който се получава йодоводород:получава йодоводород:

H2 + I2 2HIНачалната скорост (Началната скорост (vv11) в момента ) в момента на смесване на водород и йодни на смесване на водород и йодни пари в затворен съд при пари в затворен съд при определена температура е голяма. определена температура е голяма. С времето концентрациите на С времето концентрациите на изходните вещества намаляват и изходните вещества намаляват и скоростта на правата реакция (скоростта на правата реакция (vv11 ) ) намалява.намалява.

Скоростта на обратния процес (Скоростта на обратния процес (vv22) в момента на смесване на водорода и йодните пари е нула, ) в момента на смесване на водорода и йодните пари е нула, защото в сместа няма йодоводород. Още при получаването на първите количества защото в сместа няма йодоводород. Още при получаването на първите количества йодоводород започва обратният процес на разлагането му до йод и водород. С повишаване на йодоводород започва обратният процес на разлагането му до йод и водород. С повишаване на концентрацията на йодоводорода расте и скоростта на обратната реакция концентрацията на йодоводорода расте и скоростта на обратната реакция Настъпва момент, в който скоростта на обратната реакция става равна на скоростта на правата Настъпва момент, в който скоростта на обратната реакция става равна на скоростта на правата реакция (т. 3).реакция (т. 3).От този момент нататък колкото молекули йодоводород се образуват в системата за единица От този момент нататък колкото молекули йодоводород се образуват в системата за единица време, толкова се и разлагат. Затова концентрацията на веществата остават постоянни с време, толкова се и разлагат. Затова концентрацията на веществата остават постоянни с времето.времето.

Системата е в равновесие.

Химичното равновесие Химичното равновесие не е процес,не е процес, тъй като в реакционната смес не се тъй като в реакционната смес не се наблюдават промени.наблюдават промени.Химичното равновесие е Химичното равновесие е състояние,състояние, характерно за характерно за обратимите реакции. При обратимите реакции. При химичното равновесие скоростта на химичното равновесие скоростта на правата и на обратната реакция са правата и на обратната реакция са равни,равни, а концентрациите на всички а концентрациите на всички участващи в реакцията вещества са участващи в реакцията вещества са постояннипостоянни с времетос времето. Тези . Тези концентрации се наричат концентрации се наричат равновесни за системата.равновесни за системата.

Особености на химичното Особености на химичното равновесие:равновесие:

Химичното равновесие е Химичното равновесие е динамично равновесие – макар, динамично равновесие – макар, че в реакционната смес не се че в реакционната смес не се наблюдават видими промени, в наблюдават видими промени, в действителност в нея действителност в нея продължават правата и продължават правата и обратната реакция обратната реакция с еднакви с еднакви скорости.скорости.

Химичното равновесие не зависи от Химичното равновесие не зависи от началното състояние на системата. началното състояние на системата. То зависи само от условията, при То зависи само от условията, при които се намира тя.които се намира тя.Например,Например, в обратимия процес на в обратимия процес на взаимодействие между йод и водород взаимодействие между йод и водород химично равновесие може да се достигне химично равновесие може да се достигне както ако изходните вещества в затворения както ако изходните вещества в затворения съд са водород и йодни пари, така и ако съд са водород и йодни пари, така и ако изходно вещество е йодоводород.изходно вещество е йодоводород.

2

2

%75,30

%75,30

%5,38

I

H

HI

CHI356

22356 IHC

При постоянни външни условия При постоянни външни условия химичното равновесие се запазва химичното равновесие се запазва безкрайно дълго време. При промяна на безкрайно дълго време. При промяна на тези условия, обаче равновесието се тези условия, обаче равновесието се нарушава. В системата с по-голяма нарушава. В системата с по-голяма скорост протича правата или обратната скорост протича правата или обратната реакция до установяване на равновесие реакция до установяване на равновесие при новите условия. Затова химичното при новите условия. Затова химичното равновесие се характеризира като равновесие се характеризира като подвижно равновесие. подвижно равновесие.

Фактори, които влияят на Фактори, които влияят на химичното равновесиехимичното равновесие

Влияние на температурата:Влияние на температурата:Ако правата реакция в един обратим процес е Ако правата реакция в един обратим процес е екзотермична,екзотермична, то обратната реакция е то обратната реакция е ендотермична. ендотермична. При промяна на При промяна на температурата на една равновесна система, температурата на една равновесна система, химичното равновесие се нарушава:химичното равновесие се нарушава:

─ при повишаване на температурата на сместа при повишаване на температурата на сместа трябва да протече с по-голяма скорост трябва да протече с по-голяма скорост реакцията, при която се поглъща топлина реакцията, при която се поглъща топлина (ендотермичната) до установяване на ново (ендотермичната) до установяване на ново равновесно състояние;равновесно състояние;

─ При понижаване на температурата се При понижаване на температурата се ускорява екзотермичната реакция, при която ускорява екзотермичната реакция, при която се отделя топлина до установяване на новото се отделя топлина до установяване на новото равновесно състояние.равновесно състояние.

2NO2NO22 N N22OO44 + Q + Q

Двата газа са в химично Двата газа са в химично равновесие.При потапяне на равновесие.При потапяне на епруветката с газовете в епруветката с газовете в леденостудена вода леденостудена вода температурата на системата температурата на системата се понижава и се увеличава се понижава и се увеличава скоростта на екзотермичния скоростта на екзотермичния процес, за да се компенсира процес, за да се компенсира ефектът от охлаждането. ефектът от охлаждането. Равновесието се измества Равновесието се измества към по-големи концентрации към по-големи концентрации на диазотен тетраоксид и на диазотен тетраоксид и цветът избледнява.цветът избледнява.

При потапяне на епруветкатаПри потапяне на епруветкатав гореща вода температуратав гореща вода температуратана газовете се повишава и се на газовете се повишава и се ускорява ендотермичният про-ускорява ендотермичният про-цес. Равновесието се измествацес. Равновесието се измествакъм по-големи концентрации към по-големи концентрации нана NO NO22 и цветът става по-наси-и цветът става по-наси-

тен. тен.

Пример:Пример: Превръщането на червено- Превръщането на червено-кафявия азотен диоксид в безцветен кафявия азотен диоксид в безцветен диазотен тетраоксид е екзотермичен диазотен тетраоксид е екзотермичен процеспроцес::

Влияние на концентрацията:Влияние на концентрацията:

─ При постоянно повишаване на При постоянно повишаване на концентрацията на изходните вещества и концентрацията на изходните вещества и непрекъснато намаляване на концентрацията непрекъснато намаляване на концентрацията на реакционните продукти (при на реакционните продукти (при tt°° = const), в = const), в равновесната система протича с по-голяма равновесната система протича с по-голяма скорост правата реакция.скорост правата реакция.

─ При намаляване концентрацията на изходните При намаляване концентрацията на изходните вещества и увеличаване концентрацията на вещества и увеличаване концентрацията на реакционните продукти се благоприятства реакционните продукти се благоприятства обратният процес. обратният процес.

Влияние на налягането:Влияние на налягането:

При повишаване на налягането в една При повишаване на налягането в една равновесна система протича процес, който равновесна система протича процес, който води до по-малък обем и обратно – при води до по-малък обем и обратно – при понижаване на налягането в системата понижаване на налягането в системата протича процес, който води до увеличаване протича процес, който води до увеличаване на обема.на обема.

Промяната на общото налягане не влияе Промяната на общото налягане не влияе върху химичното равновесие на процеси, върху химичното равновесие на процеси, протичащи без промяна в обема.протичащи без промяна в обема.

Принцип на Льо Шателие-Принцип на Льо Шателие-Браун:Браун:

Ако на една равновесна Ако на една равновесна система се окаже външно система се окаже външно

въздействие, в нея протича въздействие, в нея протича процес, който намалява процес, който намалява

приложеното въздействие. приложеното въздействие.

Този принцип е валиден за всяко равновесие.Този принцип е валиден за всяко равновесие.Познаването му позволява провеждането на Познаването му позволява провеждането на обратимите процеси в практиката в желаната обратимите процеси в практиката в желаната посока. посока.

Равновесна константа (КРавновесна константа (Ксс):): Да си припомним, че скоростта на химичните реакции Да си припомним, че скоростта на химичните реакции

зависи от концентрацията на реагиращите вещества. Тази зависи от концентрацията на реагиращите вещества. Тази зависимост намира математически израз в кинетичното зависимост намира математически израз в кинетичното уравнение на съответната реакция. уравнение на съответната реакция. Например:Например:

За реакцията За реакцията mA + nB mA + nB C C зависимостта езависимостта е : :

V = k.cV = k.cmm(A).c(A).cnn(B),(B),където където : :

c(A), c(B) - c(A), c(B) - концентрация на изходните вещества;концентрация на изходните вещества;

m, n -m, n - молове, с които те участват в реакцията; молове, с които те участват в реакцията;

k - k - скоростна константа;скоростна константа;

Скоростната константа не зависи от температурата на Скоростната константа не зависи от температурата на реагиращите вещества. Тя зависи от концентрацията, от реагиращите вещества. Тя зависи от концентрацията, от участието на катализатор и др.участието на катализатор и др.

Нека разгледаме отново състоянието на Нека разгледаме отново състоянието на равновесие на системата равновесие на системата HH22, I, I22, HI , HI при обратимия при обратимия

процес на взаимодействие между водород и йод, процес на взаимодействие между водород и йод, при което се получава йодоводород:при което се получава йодоводород:

Това състояние се характеризира с Това състояние се характеризира с равенство между скоростите на правата равенство между скоростите на правата и обратната реакция: и обратната реакция: vv11 = v = v22

Кинетичното уравнение за правата Кинетичното уравнение за правата реакция е:реакция е:

vv1 1 = k= k1 1 c(Hc(H22).c(I).c(I22))

Кинетичното уравнение за обратната Кинетичното уравнение за обратната реакция е:реакция е:

vv2 2 = k= k2 2 cc2 2 (HI)(HI)

Следователно, при химичното равновесие е Следователно, при химичното равновесие е изпълнено равенството:изпълнено равенството:

kk1 1 c(Hc(H22).c(I).c(I22)) = = kk2 2 cc2 2 (HI)(HI)

От него следва:От него следва:

Тъй като Тъй като kk1 1 и и kk2 2 при дадена температура са при дадена температура са

постоянни, то и тяхното отношение е постоянна постоянни, то и тяхното отношение е постоянна величина. Тя се нарича величина. Тя се нарича равновесна константа. равновесна константа. Бележи се сБележи се с KKc c ..

22

2

2

1

. IcHc

HIc

k

k

22

2

).(

)(

IcHc

HIcKC

Обобщение:Обобщение:В общия случай за реакция от вида:В общия случай за реакция от вида:

nn1 1 AA1 1 + n+ n2 2 AA2 2 + … + … ↔ m↔ m1 1 BB1 1 + m+ m2 2 BB2 2 + …+ …

равновесната константа се дава с израза:равновесната константа се дава с израза:

Равновесната константа зависи само от температурата и Равновесната константа зависи само от температурата и природата на участващите в химичното равновесие природата на участващите в химичното равновесие вещества. вещества.

Равновесната константа не зависи от концентрацията на Равновесната константа не зависи от концентрацията на участващите вещества и от присъствието на катализатори.участващите вещества и от присъствието на катализатори.

В израза за равновесната константа не се включва В израза за равновесната константа не се включва концентрацията на твърдо вещество, тъй като тя се смята концентрацията на твърдо вещество, тъй като тя се смята за постоянна.за постоянна.

21

21

21

21

AcAc

BcBcK

nn

mm

c

Оптимизиране на условията, при които Оптимизиране на условията, при които протичат химичните процеси:протичат химичните процеси:

Изучаването и познаването на факторите, Изучаването и познаването на факторите, влияещи върху скоростта и химичното влияещи върху скоростта и химичното равновесие при химичните процеси позволява равновесие при химичните процеси позволява да се подберат онези условия, които да да се подберат онези условия, които да осигурят в най-голяма степен конкретните осигурят в най-голяма степен конкретните изисквания и да се получи възможно най-изисквания и да се получи възможно най-добрият резултат (най-бързо протичане на добрият резултат (най-бързо протичане на процеса, най-евтино производство, ниска процеса, най-евтино производство, ниска степен на замърсяване на околната среда и степен на замърсяване на околната среда и

др.). Те се наричат др.). Те се наричат оптимални условия оптимални условия за за работа.работа.

Скорост и равновесие:Скорост и равновесие:ФакториФактори СкоростСкорост РавновесиеРавновесие

Топлинен Топлинен ефект на ефект на процесапроцеса

Не зависи от топлинния ефект на процеса. Скоростта във всички случаи нараства с повишаване на температурата. Затова в производствените процеси се работи при по-високи температури, за да се получава по-голям добив за единица време.

Когато даден процес е нежелан и е необходимо той да се забави, се работи при ниски температури.

Зависи от топлинния ефект. С нарастване на температурата равновесието се измества в посока на ендотермичната реакция и обратно. Ето защо, ако правата реакция (при която се получават желаните продукти) е екзотермична, за да се осигури по-висок добив се работи при възможно ниски температури. Обратно, ако цел на производството са продуктите на ендотермичната реакция, трябва да се работи при висока температура.

Присъствие Присъствие на на

катализаторикатализатори

Може да се регулира с прибавянето на положителен или отрицателен катализатор.

Катализаторът влияе само върху времето, за което се достига равновесието, но не и върху самото равновесие.

ФакториФактори СкоростСкорост РавновесиеРавновесиеКонцентрация Концентрация

на на реагиращите реагиращите

веществавещества

Влияе се от концентрацията на реагиращите вещества. С повишаване поне на една от концентрациите скоростта на правата реакция нараства. Времето за производство се съкращава.

Влияе се от концентрацията на реагиращите вещества. С повишаване поне на една от концентрациите равновесието се измества в благоприятна посока -добивът на полезен продукт нараства. Чрез регулирането на концентрацията на веществата в реакционната смес може да се влияе върху възможността за пълното изразходване на едно или друго вещество и повишаване концентрацията на крайния продукт.

Налягане на Налягане на реакционната реакционната

смессмес

Нараства с повишаване на налягането защото при това нарастава и концентрацията на реагиращите вещества.

Променя се по посока на правата реакция само тогава, когато тя е свързана с намаление на обема на реакционната смес.

В редица случаи факторите влияят в В редица случаи факторите влияят в противоположни посоки. Типичен пример са противоположни посоки. Типичен пример са екзотермичните процеси:екзотермичните процеси:

Работата при висока температура води до бързото им Работата при висока температура води до бързото им протичане, но равновесието се измества в обратна протичане, но равновесието се измества в обратна посока (към обратната, ендотермичната реакция) и посока (към обратната, ендотермичната реакция) и поради това добивът на продуктите от правата поради това добивът на продуктите от правата реакция, които са цел на производството, значително реакция, които са цел на производството, значително намалява.намалява.

Работата при ниски температури би довела до Работата при ниски температури би довела до максимален добив, но скоростта на процеса е малка и максимален добив, но скоростта на процеса е малка и се забавя производството.се забавя производството.

Полезно в такива случаи се оказва участието на Полезно в такива случаи се оказва участието на катализатор, който позволява по-бързо да се достигне катализатор, който позволява по-бързо да се достигне равновесието при дадената температура и съкращава равновесието при дадената температура и съкращава времето за производство на желания продукт.времето за производство на желания продукт.

Подбира се Подбира се оптималната температураоптималната температура, която е , която е достатъчно висока за протичане на процеса с достатъчно висока за протичане на процеса с необходимата скорост, но достатъчно ниска, за да необходимата скорост, но достатъчно ниска, за да осигури достатъчен, макар и не максимален добив.осигури достатъчен, макар и не максимален добив.

Извод:Извод:

Факторите, които влияят върху скоростта на Факторите, които влияят върху скоростта на химичните процеси и равновесие в желаната химичните процеси и равновесие в желаната посока, могат да са различни.посока, могат да са различни.

Оптималните условия за протичане на даден Оптималните условия за протичане на даден процес изискват комплексен и в много процес изискват комплексен и в много случаи компромисен вариант на избор на случаи компромисен вариант на избор на стойностите на параметрите (факторите), от стойностите на параметрите (факторите), от които той зависи.които той зависи.