หากระบบอยู่ในสภาวะสมดุล ระบบก็จะยังคงอยู่ในนั้นตราบเท่าที่สภาวะภายนอกยังคงที่ หากเงื่อนไขเปลี่ยนแปลงระบบจะออกจากสมดุล - อัตราของกระบวนการไปข้างหน้าและย้อนกลับจะเปลี่ยนไม่เท่ากัน - ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้น สิ่งที่สำคัญที่สุดคือกรณีของความไม่สมดุลเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารใดๆ ที่เกี่ยวข้องกับสมดุล ความดัน หรืออุณหภูมิ
ลองพิจารณาแต่ละกรณีเหล่านี้
การรบกวนสมดุลเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารใด ๆ ที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยา ปล่อยให้ไฮโดรเจน ไฮโดรเจนไอโอไดด์ และไอโอดีนอยู่ในสมดุลซึ่งกันและกันที่อุณหภูมิและความดันที่กำหนด ให้เราแนะนำไฮโดรเจนเพิ่มเติมเข้าสู่ระบบ ตามกฎของการกระทำของมวลการเพิ่มความเข้มข้นของไฮโดรเจนจะทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเพิ่มขึ้น - ปฏิกิริยาการสังเคราะห์ HI ในขณะที่อัตราของปฏิกิริยาย้อนกลับจะไม่เปลี่ยนแปลง ปฏิกิริยาจะดำเนินไปในทิศทางข้างหน้าเร็วกว่าในทิศทางย้อนกลับ ด้วยเหตุนี้ความเข้มข้นของไฮโดรเจนและไอโอดีนจะลดลงซึ่งจะทำให้ปฏิกิริยาไปข้างหน้าช้าลง และความเข้มข้นของ HI จะเพิ่มขึ้นซึ่งจะเร่งปฏิกิริยาย้อนกลับ หลังจากนั้นครู่หนึ่ง อัตราของปฏิกิริยาไปข้างหน้าและย้อนกลับจะกลับมาเท่ากันอีกครั้ง และจะเกิดความสมดุลใหม่ แต่ในขณะเดียวกัน ความเข้มข้นของ HI จะสูงกว่าก่อนเติม และความเข้มข้นจะลดลง
กระบวนการเปลี่ยนความเข้มข้นที่เกิดจากความไม่สมดุลเรียกว่าการกระจัดหรือการเปลี่ยนแปลงสมดุล หากในเวลาเดียวกันมีความเข้มข้นของสารเพิ่มขึ้นทางด้านขวาของสมการ (และแน่นอนในเวลาเดียวกันความเข้มข้นของสารทางด้านซ้ายลดลง) พวกเขาก็บอกว่าสมดุลเปลี่ยนไป ไปทางขวาคือไปในทิศทางของปฏิกิริยาโดยตรง เมื่อความเข้มข้นเปลี่ยนไปในทิศทางตรงกันข้ามพวกมันพูดถึงการเปลี่ยนแปลงของสมดุลไปทางซ้าย - ในทิศทางของปฏิกิริยาย้อนกลับ จากตัวอย่างที่พิจารณา สมดุลเลื่อนไปทางขวา ในเวลาเดียวกันสารซึ่งความเข้มข้นที่เพิ่มขึ้นซึ่งทำให้เกิดความไม่สมดุลได้เข้าสู่ปฏิกิริยา - ความเข้มข้นของสารลดลง
ดังนั้นด้วยการเพิ่มความเข้มข้นของสารใด ๆ ที่มีส่วนร่วมในสมดุล สมดุลจะเปลี่ยนไปสู่การบริโภคของสารนี้ เมื่อความเข้มข้นของสารใดๆ ลดลง สมดุลจะเปลี่ยนไปสู่การก่อตัวของสารนี้
การรบกวนสมดุลเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของความดัน (โดยการลดหรือเพิ่มปริมาตรของระบบ) เมื่อก๊าซเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยา สมดุลอาจหยุดชะงักเมื่อปริมาตรของระบบเปลี่ยนแปลง
พิจารณาผลกระทบของแรงกดดันต่อปฏิกิริยาระหว่างไนโตรเจนมอนอกไซด์กับออกซิเจน:
ปล่อยให้ส่วนผสมของก๊าซอยู่ในสมดุลเคมีที่อุณหภูมิและความดันที่กำหนด โดยไม่เปลี่ยนอุณหภูมิเราเพิ่มความดันเพื่อให้ปริมาตรของระบบลดลง 2 เท่า ในช่วงแรกความดันและความเข้มข้นบางส่วนของก๊าซทั้งหมดจะเพิ่มเป็นสองเท่า แต่ในขณะเดียวกันอัตราส่วนระหว่างอัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าและย้อนกลับจะเปลี่ยนไป - ความสมดุลจะถูกรบกวน
ในความเป็นจริง ก่อนที่ความดันจะเพิ่มขึ้น ความเข้มข้นของก๊าซจะมีค่าสมดุล และ และอัตราการของปฏิกิริยาไปข้างหน้าและย้อนกลับจะเท่ากันและถูกกำหนดโดยสมการ:
ในช่วงแรกหลังจากการบีบอัด ความเข้มข้นของก๊าซจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าเมื่อเทียบกับค่าเริ่มต้น และจะเท่ากับ และ ตามลำดับ ในกรณีนี้ อัตราของปฏิกิริยาไปข้างหน้าและย้อนกลับจะถูกกำหนดโดยสมการ:
ดังนั้นจากแรงกดดันที่เพิ่มขึ้น อัตราของปฏิกิริยาไปข้างหน้าจึงเพิ่มขึ้น 8 เท่า และปฏิกิริยาย้อนกลับเพียง 4 เท่า ความสมดุลในระบบจะหยุดชะงัก - ปฏิกิริยาไปข้างหน้าจะมีชัยเหนือปฏิกิริยาย้อนกลับ หลังจากที่ความเร็วเท่ากัน สมดุลจะถูกสร้างขึ้นอีกครั้ง แต่ปริมาณในระบบจะเพิ่มขึ้น และสมดุลจะเปลี่ยนไปทางขวา
สังเกตได้ง่ายว่าการเปลี่ยนแปลงในอัตราของปฏิกิริยาไปข้างหน้าและย้อนกลับไม่เท่ากันนั้นเกิดจากการที่ด้านซ้ายและด้านขวาของสมการของปฏิกิริยาภายใต้การพิจารณาจำนวนโมเลกุลของก๊าซจะแตกต่างกัน: ออกซิเจนหนึ่งโมเลกุลและ ไนโตรเจนมอนนอกไซด์สองโมเลกุล (รวมก๊าซสามโมเลกุล) จะถูกแปลงเป็นโมเลกุลก๊าซสองโมเลกุล - ไนโตรเจนไดออกไซด์ ความดันของก๊าซเป็นผลมาจากการที่โมเลกุลของมันชนกับผนังของภาชนะบรรจุ สิ่งอื่นๆ ที่เท่ากัน ยิ่งจำนวนโมเลกุลที่มีอยู่ในปริมาตรของก๊าซที่กำหนดสูงเท่าไร ความดันของก๊าซก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น ดังนั้นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นกับการเพิ่มจำนวนโมเลกุลของก๊าซทำให้เกิดความดันเพิ่มขึ้น และปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นกับจำนวนโมเลกุลของก๊าซที่ลดลงทำให้ความดันลดลง
ด้วยเหตุนี้จึงสามารถสรุปข้อสรุปเกี่ยวกับผลกระทบของแรงกดดันต่อสมดุลเคมีได้ดังนี้
เมื่อความดันเพิ่มขึ้นโดยการบีบอัดระบบ สมดุลจะเปลี่ยนไปสู่จำนวนโมเลกุลของก๊าซที่ลดลง กล่าวคือ ไปสู่ความดันที่ลดลง เมื่อความดันลดลง สมดุลจะเปลี่ยนไปสู่การเพิ่มขึ้นของจำนวนโมเลกุลของก๊าซ กล่าวคือ ไปทาง แรงกดดันเพิ่มขึ้น
ในกรณีที่ปฏิกิริยาเกิดขึ้นโดยไม่เปลี่ยนจำนวนโมเลกุลของก๊าซ ความสมดุลจะไม่ถูกรบกวนระหว่างการบีบอัดหรือการขยายตัวของระบบ เช่นในระบบ
ความสมดุลจะไม่ถูกรบกวนเมื่อปริมาตรเปลี่ยนแปลง เอาต์พุต HI ไม่ขึ้นกับแรงดัน
ความไม่สมดุลเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ความสมดุลของปฏิกิริยาเคมีส่วนใหญ่จะเปลี่ยนไปตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ปัจจัยที่กำหนดทิศทางของการเปลี่ยนแปลงสมดุลคือสัญญาณของผลกระทบทางความร้อนของปฏิกิริยา จะเห็นได้ว่าเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น สมดุลจะเปลี่ยนไปตามทิศทางของปฏิกิริยาดูดความร้อน และเมื่อมันลดลงไปในทิศทางของปฏิกิริยาคายความร้อน
ดังนั้นการสังเคราะห์แอมโมเนียจึงเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน
ดังนั้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น สมดุลในระบบจะเลื่อนไปทางซ้าย - ไปสู่การสลายตัวของแอมโมเนีย เนื่องจากกระบวนการนี้เกิดขึ้นพร้อมกับการดูดซับความร้อน
ในทางกลับกัน การสังเคราะห์ไนตริกออกไซด์ (II) เป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน:
ดังนั้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความสมดุลในระบบจะเลื่อนไปทางขวา - ไปสู่การก่อตัว
รูปแบบที่ปรากฏในตัวอย่างที่พิจารณาของการรบกวนสมดุลเคมีเป็นกรณีพิเศษของหลักการทั่วไปที่กำหนดอิทธิพลของปัจจัยต่างๆ ต่อระบบสมดุล หลักการนี้เรียกว่าหลักการของเลอ ชาเตอลิเยร์ เมื่อนำไปใช้กับสมดุลเคมี สามารถกำหนดสูตรได้ดังนี้
หากมีผลกระทบใด ๆ ต่อระบบที่อยู่ในสมดุล ผลจากกระบวนการที่เกิดขึ้นในระบบนั้น สมดุลจะเปลี่ยนไปในทิศทางที่ผลกระทบจะลดลง
อันที่จริงเมื่อสารตัวใดตัวหนึ่งที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาถูกนำเข้าสู่ระบบ ความสมดุลจะเปลี่ยนไปสู่การบริโภคสารนี้ “เมื่อความดันเพิ่มขึ้น มันจะเปลี่ยนเพื่อให้ความดันในระบบลดลง เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น สมดุลจะเปลี่ยนไปสู่ปฏิกิริยาดูดความร้อน อุณหภูมิในระบบจะลดลง
หลักการของเลอ ชาเตอลิเยร์ไม่เพียงแต่ใช้กับสารเคมีเท่านั้น แต่ยังรวมถึงสมดุลเคมีกายภาพด้วย การเปลี่ยนแปลงในสมดุลเมื่อเงื่อนไขของกระบวนการ เช่น การเดือด การตกผลึก และการละลาย เปลี่ยนแปลงไปตามหลักการของ Le Chatelier
โดยหลักการแล้วปฏิกิริยาเคมีทั้งหมดสามารถย้อนกลับได้
ซึ่งหมายความว่าทั้งปฏิกิริยาของรีเอเจนต์และปฏิกิริยาของผลิตภัณฑ์เกิดขึ้นในส่วนผสมของปฏิกิริยา ในแง่นี้ ความแตกต่างระหว่างสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์เป็นไปตามเงื่อนไข ทิศทางของปฏิกิริยาเคมีถูกกำหนดโดยสภาวะของพฤติกรรม (อุณหภูมิ ความดัน ความเข้มข้นของสาร)
ปฏิกิริยาหลายอย่างมีทิศทางที่ต้องการและต้องมีสภาวะที่รุนแรงเพื่อให้ปฏิกิริยาดังกล่าวเกิดขึ้นในทิศทางตรงกันข้าม ในปฏิกิริยาดังกล่าว การแปลงสารตั้งต้นให้เป็นผลิตภัณฑ์จะเกิดขึ้นเกือบทั้งหมดตัวอย่าง. เหล็กและซัลเฟอร์เมื่อถูกความร้อนปานกลางจะทำปฏิกิริยากันเพื่อสร้างเหล็ก (II) ซัลไฟด์ FeS มีความเสถียรภายใต้สภาวะดังกล่าวและในทางปฏิบัติแล้วจะไม่สลายตัวเป็นเหล็กและซัลเฟอร์:
ที่ 200 atm และ 400 0C ปริมาณ NH3 สูงสุดในส่วนผสมของปฏิกิริยาจะเท่ากับ 36% (โดยปริมาตร) เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นอีกเนื่องจากการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับเพิ่มขึ้น ปริมาตรของแอมโมเนียในส่วนผสมจะลดลง
ปฏิกิริยาเดินหน้าและถอยหลังเกิดขึ้นพร้อมกันในทิศทางตรงกันข้าม
ในปฏิกิริยาย้อนกลับทั้งหมด อัตราของปฏิกิริยาไปข้างหน้าจะลดลง และอัตราของปฏิกิริยาย้อนกลับจะเพิ่มขึ้นจนกว่าอัตราทั้งสองจะเท่ากันและเกิดความสมดุล
ในสภาวะสมดุล อัตราของปฏิกิริยาไปข้างหน้าและปฏิกิริยาย้อนกลับจะเท่ากัน
หลักการของเลอ ชาเตลิเยร์ การเปลี่ยนแปลงสมดุลเคมี
ตำแหน่งของสมดุลเคมีขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ปฏิกิริยาต่อไปนี้ อุณหภูมิ ความดัน และความเข้มข้น อิทธิพลที่ปัจจัยเหล่านี้มีต่อปฏิกิริยาเคมีขึ้นอยู่กับรูปแบบที่แสดงออกมาในรูปแบบทั่วไปในปี 1884 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส เลอ ชาเตอลิเยร์ หลักการสมัยใหม่ของเลอ ชาเตอลิเยร์มีดังต่อไปนี้
1. ผลกระทบของอุณหภูมิ ในแต่ละปฏิกิริยาที่ผันกลับได้ ทิศทางใดทิศทางหนึ่งสอดคล้องกับกระบวนการคายความร้อน และอีกทิศทางหนึ่งสอดคล้องกับกระบวนการดูดความร้อน
2. ผลของแรงกดดัน ในปฏิกิริยาทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับสารที่เป็นก๊าซ ร่วมกับการเปลี่ยนแปลงของปริมาตรเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงปริมาณของสารระหว่างการเปลี่ยนจากสารตั้งต้นเป็นผลิตภัณฑ์ ตำแหน่งสมดุลจะได้รับผลกระทบจากความดันในระบบ
อิทธิพลของแรงกดดันต่อตำแหน่งสมดุลเป็นไปตามกฎต่อไปนี้:ดังนั้นในระหว่างการเปลี่ยนจากสารตั้งต้นไปเป็นผลิตภัณฑ์ ปริมาตรของก๊าซจึงลดลงครึ่งหนึ่ง ซึ่งหมายความว่าเมื่อความดันเพิ่มขึ้น สมดุลจะเปลี่ยนไปสู่การก่อตัวของ NH3 ตามที่เห็นได้จากข้อมูลต่อไปนี้สำหรับปฏิกิริยาการสังเคราะห์แอมโมเนียที่ 400 0C:
3. ผลของความเข้มข้น อิทธิพลของความเข้มข้นต่อสภาวะสมดุลอยู่ภายใต้กฎต่อไปนี้:
แนวคิดเรื่องสมดุลเคมี
สภาวะสมดุลถือเป็นสถานะของระบบที่ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง และสถานะนี้ไม่ได้เกิดจากการกระทำของแรงภายนอกใดๆ สถานะของระบบสารที่ทำปฏิกิริยาซึ่งอัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเท่ากับอัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับเรียกว่า สมดุลเคมี. ความสมดุลนี้เรียกอีกอย่างว่า มือถือม. หรือ พลวัตสมดุล.
สัญญาณของความสมดุลทางเคมี
1. สถานะของระบบยังคงไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไปในขณะที่ยังคงรักษาสภาวะภายนอกไว้
2. สมดุลเป็นแบบไดนามิก กล่าวคือ เกิดจากการเกิดปฏิกิริยาเดินหน้าและถอยหลังในอัตราเดียวกัน
3. อิทธิพลภายนอกใด ๆ ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในสมดุลของระบบ หากอิทธิพลภายนอกถูกลบออกไป ระบบจะกลับสู่สถานะเดิม
4. สามารถเข้าถึงสภาวะสมดุลได้จากสองด้าน - ทั้งจากด้านข้างของสารตั้งต้นและจากด้านข้างของผลิตภัณฑ์ที่ทำปฏิกิริยา
5. ในสภาวะสมดุล พลังงานกิ๊บส์จะถึงค่าต่ำสุด
หลักการของเลอ ชาเตอลิเยร์
พิจารณาอิทธิพลของการเปลี่ยนแปลงสภาวะภายนอกต่อตำแหน่งสมดุล หลักการของเลอ ชาเตอลิเยร์ (หลักการเคลื่อนที่สมดุล): หากอิทธิพลภายนอกใด ๆ ถูกนำไปใช้กับระบบในสภาวะสมดุล ในระบบนั้นทิศทางของกระบวนการที่ทำให้ผลกระทบของอิทธิพลนี้อ่อนลงจะถูกเสริมให้เข้มแข็งขึ้น และตำแหน่งสมดุลจะเปลี่ยนไปในทิศทางเดียวกัน
หลักการของ Le Chatelier ไม่เพียงแต่ใช้กับกระบวนการทางเคมีเท่านั้น แต่ยังใช้กับกระบวนการทางกายภาพด้วย เช่น การต้ม การตกผลึก การละลาย เป็นต้น
ให้เราพิจารณาอิทธิพลของปัจจัยต่าง ๆ ต่อสมดุลเคมีโดยใช้ตัวอย่างของปฏิกิริยาออกซิเดชัน NO:
2 เลขที่ (ช) + โอ 2(ก) 2 เลขที่ 2(ก) ; H หรือ 298 = - 113.4 กิโลจูล/โมล
ผลของอุณหภูมิต่อสมดุลเคมี
เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น สมดุลจะเปลี่ยนไปสู่ปฏิกิริยาคายความร้อน และเมื่ออุณหภูมิลดลง สมดุลจะเปลี่ยนไปสู่ปฏิกิริยาคายความร้อน
ระดับของการเปลี่ยนแปลงสมดุลถูกกำหนดโดยค่าสัมบูรณ์ของผลกระทบทางความร้อน: ยิ่งค่าสัมบูรณ์ของเอนทาลปีของปฏิกิริยายิ่งมากขึ้น H ยิ่งอิทธิพลของอุณหภูมิมีต่อสถานะสมดุลมากขึ้น
ในปฏิกิริยาที่กำลังพิจารณาเพื่อสังเคราะห์ไนตริกออกไซด์ (IV ) การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิจะเปลี่ยนสมดุลไปสู่สารตั้งต้น
ผลของความดันต่อสมดุลเคมี
การบีบอัดจะเปลี่ยนสมดุลไปในทิศทางของกระบวนการที่มาพร้อมกับปริมาตรของสารก๊าซที่ลดลง และความดันที่ลดลงจะเปลี่ยนสมดุลไปในทิศทางตรงกันข้าม ในตัวอย่างที่กำลังพิจารณา มี 3 เล่มทางด้านซ้ายของสมการ และ 2 เล่มทางด้านขวา เนื่องจากความดันที่เพิ่มขึ้นเอื้อต่อกระบวนการที่เกิดขึ้นกับปริมาตรที่ลดลง จากนั้นเมื่อความดันเพิ่มขึ้น สมดุลจะเปลี่ยนไปทางขวา เช่น ต่อผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา – NO 2 . การลดความดันจะทำให้สมดุลไปในทิศทางตรงกันข้าม ควรสังเกตว่าหากในสมการของปฏิกิริยาย้อนกลับจำนวนโมเลกุลของสารก๊าซทางด้านขวาและด้านซ้ายเท่ากันการเปลี่ยนแปลงของความดันจะไม่ส่งผลต่อตำแหน่งสมดุล
ผลของความเข้มข้นต่อสมดุลเคมี
สำหรับปฏิกิริยาที่กำลังพิจารณา ให้เติม NO หรือ O 2 ในปริมาณเพิ่มเติมเข้าสู่ระบบสมดุล ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสมดุลไปในทิศทางที่ความเข้มข้นของสารเหล่านี้ลดลง ดังนั้น สมดุลจึงมีการเปลี่ยนแปลงไปสู่การก่อตัวหมายเลข 2 . ความเข้มข้นเพิ่มขึ้นหมายเลข 2 เปลี่ยนสมดุลไปสู่สารตั้งต้น
ตัวเร่งปฏิกิริยาจะเร่งปฏิกิริยาทั้งไปข้างหน้าและย้อนกลับอย่างเท่าเทียมกัน จึงไม่ส่งผลกระทบต่อการเปลี่ยนแปลงของสมดุลเคมี
เมื่อเข้าสู่ระบบสมดุล (ที่ P = const ) ของก๊าซเฉื่อย ความเข้มข้นของรีเอเจนต์ (ความดันบางส่วน) จะลดลง เนื่องจากกระบวนการออกซิเดชั่นอยู่ระหว่างการพิจารณาเลขที่ ไปกับปริมาณที่ลดลงจากนั้นเมื่อเพิ่มเข้าไป
ค่าคงที่สมดุลเคมี
สำหรับปฏิกิริยาเคมี:
2 เลขที่ (ช) + โอ 2 (ก) 2 NO 2(ก.)
ค่าคงที่ปฏิกิริยาเคมี K c คืออัตราส่วน:
(12.1)
ในสมการนี้ ในวงเล็บเหลี่ยมคือความเข้มข้นของสารที่ทำปฏิกิริยาซึ่งกำหนดไว้ที่สมดุลเคมี เช่น ความเข้มข้นของสารที่สมดุล
ค่าคงที่สมดุลเคมีสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงของพลังงานกิ๊บส์ตามสมการ:
G T o = – RTlnK . (12.2)
ตัวอย่างการแก้ปัญหา
ที่อุณหภูมิหนึ่งความเข้มข้นของสมดุลในระบบ 2CO (g) + O 2(ก)2CO 2 (g) คือ: = 0.2 โมล/ลิตร, = 0.32 โมล/ลิตร, = 0.16 นางสาว. กำหนดค่าคงที่สมดุลที่อุณหภูมินี้และความเข้มข้นเริ่มต้นของ CO และ O 2 ถ้าส่วนผสมเดิมไม่มี CO 2 .
.
2CO (ก) + O 2(ก) 2CO 2(ง)
ในบรรทัดที่สอง “proreact” หมายถึงความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่ทำปฏิกิริยาและความเข้มข้นของ CO 2 ที่เกิดขึ้น และด้วยการเริ่มต้น = ด้วยปฏิกิริยา + เท่ากับ .
ใช้ข้อมูลอ้างอิงในการคำนวณค่าคงที่สมดุลของกระบวนการ3ชม 2 (ช) + น 2 (G) 2 NH 3 (G) ที่ 298 เค
ก 298 โอ = 2·( - 16.71) กิโลจูล = -33.42 10 3 เจ
จี ที โอ = - RTlnK.
lnK = 33.42 10 3 /(8.314 × 298) = 13.489. K = 7.21× 10 5 .
กำหนดความเข้มข้นสมดุลของ HI ในระบบชม 2(ก) + ฉัน 2(ก) 2HI (ช) ,
ถ้าที่อุณหภูมิหนึ่งค่าคงที่สมดุลคือ 4 และความเข้มข้นเริ่มต้นของ H 2, I 2 และ HI เท่ากับ 1, 2 และ 0 โมล/ลิตร ตามลำดับ
สารละลาย. ให้ x โมล/ลิตร H2 ทำปฏิกิริยา ณ จุดใดเวลาหนึ่ง
.
เมื่อแก้สมการนี้ เราจะได้ x = 0.67
ซึ่งหมายความว่าความเข้มข้นสมดุลของ HI คือ 2 × 0.67 = 1.34 โมล/ลิตร
ใช้ข้อมูลอ้างอิง กำหนดอุณหภูมิที่ค่าคงที่สมดุลของกระบวนการคือ: H 2 (g) + HCOH (d)CH3OH (d) กลายเป็น 1 สมมติว่า H o T » H o 298 และ S o T “ส โอ 298.ถ้า K = 1 แล้ว Go o T = - RTlnK = 0;
ได้รับ » N ประมาณ 298 - ต ดีส โอ 298 . แล้ว ;
N ประมาณ 298 = -202 – (- 115.9) = -86.1 กิโลจูล = - 86.1× 10 3 เจ;
ส โอ 298 = 239.7 – 218.7 – 130.52 = -109.52 J/K;
ถึง.
สารละลาย. ให้ x โมล/ลิตร SO 2 ทำปฏิกิริยา ณ จุดใดเวลาหนึ่ง
ดังนั้น 2(G) + Cl 2(G) ดังนั้น 2 Cl 2(ช)
จากนั้นเราจะได้รับ:
.
เมื่อแก้สมการนี้ เราจะพบว่า x 1 = 3 และ x 2 = 1.25 แต่ x1 = 3 ไม่ตรงตามเงื่อนไขของปัญหา
ดังนั้น = 1.25 + 1 = 2.25 โมล/ลิตร
ปัญหาที่ต้องแก้ไขอย่างอิสระ
12.1. ปฏิกิริยาใดต่อไปนี้ที่เพิ่มขึ้น ความดันจะเปลี่ยนสมดุลไปทางขวา ให้เหตุผลคำตอบ
1) 2 NH 3 (ก) 3 H 2 (ก) + น 2 (ก.)
2) สังกะสีซีโอ 3 (k) ZnO (k) + CO 2 (ก.)
3) 2HBr (ก) H 2 (ก) + Br 2 (ญ)
4) คาร์บอนไดออกไซด์ 2 (ช) + ค (กราไฟท์) 2CO (ก.)
12.2.ที่อุณหภูมิหนึ่งความเข้มข้นของความสมดุลในระบบ
2HBr (ก) H 2 (ก) + Br 2 (ก.)
คือ: = 0.3 โมล/ลิตร, = 0.6 โมล/ลิตร, = 0.6 โมล/ลิตร กำหนดค่าคงที่สมดุลและความเข้มข้นเริ่มต้นของ HBr
12.3.สำหรับปฏิกิริยา H 2(g)+ส (ง) เอช 2 ส (d) ที่อุณหภูมิหนึ่งค่าคงที่สมดุลคือ 2 จงหาความเข้มข้นของสมดุลของ H 2 และ S หากความเข้มข้นเริ่มต้นของ H 2, เอส และ เอช 2 S เท่ากับ 2, 3 และ 0 โมล/ลิตร ตามลำดับ
สมดุลเคมี- สถานะของระบบเมื่อปฏิกิริยาทางตรงและทางกลับมีความเร็วเท่ากัน.. ในระหว่างกระบวนการที่มีสารตั้งต้นลดลงความเร็วของสารเคมีทางตรง ปฏิกิริยาจะลดลง และอัตราของปฏิกิริยาย้อนกลับจะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่ม CHI ณ จุดใดจุดหนึ่ง ความเร็วของเคมีไปข้างหน้าและย้อนกลับ ปฏิกิริยาเท่ากัน สถานะของระบบจะไม่เปลี่ยนแปลงจนกว่าปัจจัยภายนอก (P, T, c) ทำหน้าที่ เชิงปริมาณสถานะของสมดุลถูกกำหนดลักษณะโดยใช้ค่าคงที่สมดุล ค่าคงที่สมดุล – ค่าคงที่ , สะท้อนอัตราส่วนของความเข้มข้นของส่วนประกอบของปฏิกิริยาที่ผันกลับได้ในสภาวะสมดุลเคมี (ขึ้นอยู่กับ C เท่านั้น) เราจะย้อนกลับเคมีสำหรับแต่ละรายการ ปฏิกิริยาในสภาวะเฉพาะดูเหมือนจะเป็นตัวกำหนดขีดจำกัดของสารเคมีที่จะไป ปฏิกิริยา. .K=.If (อ้างอิงความเข้มข้น) - ไม่มีปฏิกิริยา หากสมดุลเลื่อนไปทางขวา - จะไม่ดำเนินการต่อ ค่าคงที่สมดุลไม่เปลี่ยนค่าตามการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารตั้งต้น ความจริงก็คือการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบทางเคมีเท่านั้น สมดุลไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง ในกรณีนี้ สภาวะสมดุลใหม่จะถูกสร้างขึ้นที่ค่าคงที่เดียวกัน . ความสมดุลที่แท้จริงสามารถเลื่อนไปด้านใดด้านหนึ่งได้โดยการกระทำของปัจจัยใดก็ได้ แต่เมื่อปัจจัยเหล่านี้ถูกยกเลิก ระบบจะกลับสู่สถานะเดิม เท็จ- สถานะของระบบไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไป แต่เมื่อเงื่อนไขภายนอกเปลี่ยนแปลง กระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้จะเกิดขึ้นในระบบ (ในความมืดจะมี H 2 + Cl 2 อยู่ เมื่อส่องสว่างจะเกิด HCl เมื่อแสงหยุด H 2 และ Cl 2 จะไม่กลับมา) การเปลี่ยนแปลงอย่างน้อยหนึ่งในปัจจัยเหล่านี้นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในสมดุล อิทธิพลของปัจจัยต่าง ๆ ที่มีต่อสถานะของสมการทางเคมีนั้นอธิบายในเชิงคุณภาพโดยหลักการของการเปลี่ยนสมดุลโดย Le Chatelier (1884: ด้วยอิทธิพลภายนอกใด ๆ ต่อระบบที่อยู่ในสภาวะสมดุลทางเคมี กระบวนการจะเกิดขึ้นในระบบซึ่งส่งผลให้อิทธิพลนี้ลดลง
ค่าคงที่สมดุล
ค่าคงที่สมดุลแสดงออกมาอัตราของปฏิกิริยาไปข้างหน้ามากกว่าหรือน้อยกว่าอัตราของปฏิกิริยาย้อนกลับกี่ครั้ง?
ค่าคงที่สมดุลคืออัตราส่วนของผลิตภัณฑ์ของความเข้มข้นสมดุลของผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา ซึ่งยกกำลังของสัมประสิทธิ์ปริมาณสัมพันธ์กับผลคูณของความเข้มข้นสมดุลของสารตั้งต้น ซึ่งนำไปยกกำลังของสัมประสิทธิ์ปริมาณสัมพันธ์
ค่าของค่าคงที่สมดุลขึ้นอยู่กับลักษณะของสารตั้งต้นและอุณหภูมิ และไม่ขึ้นอยู่กับความเข้มข้น ณ เวลาสมดุล เนื่องจากอัตราส่วนของพวกมันจะเป็นค่าคงที่เสมอ โดยจะมีค่าเท่ากับตัวเลขกับค่าคงที่สมดุลเสมอ หากปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันเกิดขึ้นระหว่างสารในสารละลาย ค่าคงที่สมดุลจะแสดงเป็น K C และหากเป็นระหว่างก๊าซ K R
โดยที่ Р С, Р D, Р А และ Р В คือแรงกดดันสมดุลของผู้เข้าร่วมปฏิกิริยา
การใช้สมการคลาเปรอง-เมนเดเลเยฟ สามารถระบุความสัมพันธ์ระหว่าง K P และ K C ได้
ลองย้ายระดับเสียงไปทางด้านขวา
p = RT เช่น p = CRT (6.9)
ให้เราแทนที่สมการ (6.9) เป็น (6.7) สำหรับแต่ละรีเอเจนต์และทำให้ง่ายขึ้น
,
(6.10)
โดยที่ Dn คือการเปลี่ยนแปลงจำนวนโมลของผู้เข้าร่วมปฏิกิริยาก๊าซ
ดน = (ค + ง) – (ก + ค) (6.11)
เพราะฉะนั้น,
K P = K C (RT) Dn (6.12)
จากสมการ (6.12) ชัดเจนว่า K P = K C หากจำนวนโมลของผู้เข้าร่วมที่เป็นก๊าซในปฏิกิริยาไม่เปลี่ยนแปลง (Dn = 0) หรือไม่มีก๊าซอยู่ในระบบ
ควรสังเกตว่าในกรณีของกระบวนการที่ต่างกัน ความเข้มข้นของเฟสของแข็งหรือของเหลวในระบบจะไม่ถูกนำมาพิจารณา
เช่น ค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยาในรูปแบบ 2A + 3B = C + 4D โดยมีเงื่อนไขว่าสารทั้งหมดเป็นก๊าซและมีรูปแบบ
และถ้า D เป็นของแข็งแล้ว
ค่าคงที่สมดุลมีความสำคัญอย่างยิ่งทั้งทางทฤษฎีและปฏิบัติ ค่าตัวเลขของค่าคงที่สมดุลช่วยให้เราสามารถตัดสินความเป็นไปได้ในทางปฏิบัติและความลึกของปฏิกิริยาเคมี
10 4 ปฏิกิริยาจะไม่สามารถย้อนกลับได้
การเปลี่ยนแปลงสมดุล หลักการของเลอ ชาเตอลิเยร์
หลักการของเลอ ชาเตอลิเยร์ (1884): หากระบบที่อยู่ในสมดุลเคมีเสถียรได้รับอิทธิพลจากภายนอกโดยการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ความดัน หรือความเข้มข้น สมดุลเคมีจะเปลี่ยนไปในทิศทางที่ผลกระทบของผลกระทบลดลง
ควรสังเกตว่าตัวเร่งปฏิกิริยาไม่ได้เปลี่ยนสมดุลทางเคมี แต่จะเร่งการโจมตีเท่านั้น
ให้เราพิจารณาอิทธิพลของแต่ละปัจจัยที่มีต่อการเปลี่ยนแปลงของสมดุลเคมีสำหรับปฏิกิริยาทั่วไป:
AA + BB = ซีซี + งดี±คิว
ผลของการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นตามหลักการของ Le Chatelier การเพิ่มความเข้มข้นขององค์ประกอบหนึ่งของปฏิกิริยาเคมีที่สมดุลจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงของความสมดุลไปสู่การเพิ่มความเข้มข้นของปฏิกิริยาซึ่งกระบวนการทางเคมีของส่วนประกอบนี้เกิดขึ้น ในทางกลับกัน ความเข้มข้นของส่วนประกอบหนึ่งลดลงจะส่งผลให้สมดุลเกิดการเปลี่ยนแปลงไปสู่การก่อตัวของส่วนประกอบนี้
ดังนั้นการเพิ่มความเข้มข้นของสาร A หรือ B จะเปลี่ยนสมดุลไปในทิศทางไปข้างหน้า การเพิ่มความเข้มข้นของสาร C หรือ D จะเปลี่ยนสมดุลไปในทิศทางตรงกันข้าม ความเข้มข้นที่ลดลงของ A หรือ B จะเปลี่ยนสมดุลไปในทิศทางตรงกันข้าม ความเข้มข้นของสาร C หรือ D ที่ลดลงจะทำให้สมดุลเคลื่อนไปข้างหน้า (ตามแผนผังคุณสามารถเขียน: C A หรือ C B ®; C C หรือ C D ฌ; pixel C A หรือ C B ฌ; • C C หรือ C D ®)
ผลกระทบของอุณหภูมิกฎทั่วไปที่กำหนดผลกระทบของอุณหภูมิต่อสมดุลมีสูตรดังต่อไปนี้: การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิจะส่งเสริมให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในสภาวะสมดุลไปสู่ปฏิกิริยาดูดความร้อน (- Q) การลดลงของอุณหภูมิจะส่งผลให้สมดุลเกิดการเปลี่ยนแปลงไปสู่ปฏิกิริยาคายความร้อน (+ Q)
ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นโดยไม่มีผลกระทบจากความร้อนจะไม่เปลี่ยนสมดุลเคมีเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิในกรณีนี้เพียงนำไปสู่การสร้างสมดุลที่รวดเร็วยิ่งขึ้น ซึ่งจะบรรลุผลได้ในระบบที่กำหนดโดยไม่ต้องให้ความร้อน แต่ใช้เวลานานกว่านั้น
ดังนั้น ในปฏิกิริยาคายความร้อน (+ Q) การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในสมดุลในทิศทางตรงกันข้าม และในทางกลับกัน ในปฏิกิริยาดูดความร้อน (- Q) การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงใน ทิศทางไปข้างหน้าและอุณหภูมิลดลงในทิศทางตรงกันข้าม (ตามแผนผังเราสามารถเขียนได้: at +Q Т ฌ; pixel ®; at -Q Т ®; pixel ¢)
ผลกระทบของแรงกดดันตามประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าความดันมีผลอย่างเห็นได้ชัดต่อการกระจัดของปฏิกิริยาสมดุลที่สารก๊าซมีส่วนร่วมและในเวลาเดียวกันการเปลี่ยนแปลงจำนวนโมลของผู้เข้าร่วมปฏิกิริยาก๊าซ (Dn) ไม่เท่ากับศูนย์ เมื่อความดันเพิ่มขึ้น สมดุลจะเปลี่ยนไปสู่ปฏิกิริยาที่มาพร้อมกับการก่อตัวของสารก๊าซจำนวนโมลน้อยลง และเมื่อความดันลดลง ไปสู่การก่อตัวของสารก๊าซจำนวนมากขึ้น
ดังนั้น ถ้า Dn = 0 ความดันจะไม่ส่งผลต่อการกระจัดของสมดุลเคมี ถ้า Dn< 0, то увеличение давления смещает равновесие в прямом направлении, уменьшение давления в сторону обратной реакции; если Dn >0 จากนั้นความดันที่เพิ่มขึ้นจะเปลี่ยนสมดุลไปในทิศทางตรงกันข้าม และความดันที่ลดลงจะเปลี่ยนไปสู่ปฏิกิริยาไปข้างหน้า (ตามแผนผังเราสามารถเขียนได้: ที่ Dn = 0 P ไม่มีผล; ที่ Dn<0 Р®, ¯Р¬; при Dn >0 Р ฌ, ラР ®) หลักการของ Le Chatelier ใช้ได้กับทั้งระบบที่เป็นเนื้อเดียวกันและต่างกัน และให้คุณลักษณะเชิงคุณภาพของการเปลี่ยนแปลงสมดุล
สมดุลเคมีซึ่งสอดคล้องกับความเท่าเทียมกันของอัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าและย้อนกลับ ( = ) และค่าต่ำสุดของพลังงานกิ๊บส์ (∆ G р,т = 0) เป็นสถานะที่เสถียรที่สุดของระบบภายใต้เงื่อนไขที่กำหนดและยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ตราบเท่าที่พารามิเตอร์ที่สร้างความสมดุลไว้
เมื่อเงื่อนไขเปลี่ยนแปลง สมดุลจะหยุดชะงักและเปลี่ยนไปสู่ปฏิกิริยาโดยตรงหรือปฏิกิริยาย้อนกลับ การเปลี่ยนแปลงในสมดุลเกิดจากการที่อิทธิพลภายนอกเปลี่ยนความเร็วของกระบวนการสองกระบวนการที่ตรงกันข้ามกันเป็นองศาที่แตกต่างกัน หลังจากนั้นครู่หนึ่ง ระบบจะเข้าสู่สภาวะสมดุลอีกครั้ง เช่น มันผ่านจากสภาวะสมดุลหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่ง ความสมดุลใหม่มีลักษณะเฉพาะคือความเท่าเทียมกันใหม่ของอัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าและย้อนกลับ และความเข้มข้นของความสมดุลใหม่ของสารทั้งหมดในระบบ
ทิศทางของการเปลี่ยนแปลงสมดุลในกรณีทั่วไปถูกกำหนดโดยหลักการของ Le Chatelier: หากอิทธิพลภายนอกเกิดขึ้นกับระบบในสภาวะสมดุลที่เสถียร ความสมดุลจะเปลี่ยนไปสู่กระบวนการที่ทำให้ผลกระทบของอิทธิพลภายนอกอ่อนลง
การเปลี่ยนแปลงในสมดุลอาจเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิหรือความเข้มข้น (ความดัน) ของสารตั้งต้นตัวใดตัวหนึ่ง
อุณหภูมิเป็นพารามิเตอร์ที่ค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยาเคมีขึ้นอยู่กับ ประเด็นการเปลี่ยนแปลงสมดุลเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับสภาวะการใช้ปฏิกิริยา แก้ได้โดยใช้สมการไอโซบาร์ (1.90) - =
1. สำหรับกระบวนการไอโซเทอร์มอล ∆ r H 0 (t)< 0, в правой части выражения (1.90) R >0, T > 0 ดังนั้นอนุพันธ์อันดับหนึ่งของลอการิทึมของค่าคงที่สมดุลเทียบกับอุณหภูมิจึงเป็นลบ< 0, т.е. ln Kp (и сама константа Кр) являются убывающими функциями температуры. При увеличении температуры константа химического равновесия (Кр) уменьшается и что согласно закону действующих масс (2.27), (2.28)соответствует смещению химического равновесия в сторону обратной (эндотермической) реакции. Именно в этом проявляется противодействие системы оказанному воздействию.
2. สำหรับกระบวนการดูดความร้อน ∆ r H 0 (t) > 0 อนุพันธ์ของลอการิทึมของค่าคงที่สมดุลเทียบกับอุณหภูมิจะเป็นค่าบวก (> 0) ดังนั้น ln Kp และ Kp จะเพิ่มฟังก์ชันของอุณหภูมิ เช่น ตามกฎของการกระทำของมวล เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น สมดุลจะเปลี่ยนไปทางตรง (ปฏิกิริยาดูดความร้อน) อย่างไรก็ตาม เราต้องจำไว้ว่าความเร็วของทั้งกระบวนการไอโซเทอร์มอลและกระบวนการดูดความร้อนจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น และลดลงเมื่ออุณหภูมิลดลง แต่การเปลี่ยนแปลงความเร็วจะไม่เท่ากันเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ดังนั้น โดยการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจึงเป็น เป็นไปได้ที่จะเปลี่ยนสมดุลไปในทิศทางที่กำหนด การเปลี่ยนแปลงในสมดุลอาจเกิดจากการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นขององค์ประกอบอย่างใดอย่างหนึ่ง: การเติมสารเข้าสู่ระบบสมดุลหรือการกำจัดออกจากระบบ
ตามหลักการของ Le Chatelier เมื่อความเข้มข้นของผู้เข้าร่วมปฏิกิริยาคนใดคนหนึ่งเปลี่ยนไป สมดุลจะเปลี่ยนไปในทิศทางที่ชดเชยการเปลี่ยนแปลง กล่าวคือ ด้วยความเข้มข้นของสารเริ่มต้นตัวใดตัวหนึ่งที่เพิ่มขึ้น - ไปทางขวาและเมื่อความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาตัวใดตัวหนึ่งเพิ่มขึ้น - ไปทางซ้าย หากสารที่เป็นก๊าซมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาที่ผันกลับได้ เมื่อความดันเปลี่ยนแปลง ความเข้มข้นทั้งหมดจะเปลี่ยนเท่าๆ กันและพร้อมกัน อัตราของกระบวนการก็เปลี่ยนแปลงเช่นกัน และด้วยเหตุนี้ การเปลี่ยนแปลงในสมดุลทางเคมีจึงอาจเกิดขึ้นได้ ตัวอย่างเช่นเมื่อความดันเพิ่มขึ้น (เทียบกับสมดุล) ในระบบ CaCO 3 (K) CO (k) + CO 2 (g) อัตราของปฏิกิริยาย้อนกลับจะเพิ่มขึ้น = ซึ่งจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงของ สมดุลไปทางซ้าย เมื่อความดันในระบบเดียวกันลดลง อัตราของปฏิกิริยาย้อนกลับจะลดลง และสมดุลจะเปลี่ยนไปทางขวา เมื่อความดันต่อระบบ 2HCl H 2 +Cl 2 ซึ่งอยู่ในสภาวะสมดุลเพิ่มขึ้น สมดุลจะไม่เปลี่ยนเนื่องจาก ความเร็วทั้งสองจะเพิ่มขึ้นเท่าๆ กัน
สำหรับระบบ 4HCl + O 2 2Cl 2 + 2H 2 O (g) ความดันที่เพิ่มขึ้นจะส่งผลให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเพิ่มขึ้นและการเปลี่ยนแปลงของสมดุลไปทางขวา
ดังนั้น ตามหลักการของเลอ ชาเตอลิเยร์ เมื่อความดันเพิ่มขึ้น สมดุลจะเปลี่ยนไปสู่การก่อตัวของสารก๊าซจำนวนโมลน้อยลงในส่วนผสมของก๊าซ และส่งผลให้ความดันในระบบลดลง
ในทางกลับกัน ด้วยอิทธิพลภายนอกที่ทำให้ความดันลดลง สมดุลจะเปลี่ยนไปสู่การก่อตัวของสารก๊าซจำนวนโมลมากขึ้น ซึ่งจะทำให้เกิดแรงกดดันในระบบเพิ่มขึ้น และจะต่อต้านผลกระทบที่เกิดขึ้น
หลักการของ Le Chatelier มีความสำคัญอย่างยิ่งในทางปฏิบัติ จากนี้ จึงเป็นไปได้ที่จะเลือกเงื่อนไขดังกล่าวสำหรับการนำปฏิกิริยาทางเคมีไปใช้ ซึ่งจะทำให้มั่นใจได้ถึงผลผลิตสูงสุดของผลิตภัณฑ์ที่ทำปฏิกิริยา