Равновесие химических реакций

Под воздействием подвода или отвода энергии в форме теплоты или работы происходит изменение состояния термодинамической системы (значений термодинамических параметров), называемое термодинами­ческим процессом. Процессы, представляющие собой непрерывный ряд равновесных состояний, называют равновесным и. При этом равновесным считают состояние, в которое приходит система при по­стоянных внешних условиях, характеризуемое неизменностью во вре­мени термодинамических параметров и отсутствием в системе потоков вещества и теплоты.

Устойчивое равновесие характеризуется следую­щими общими условиями:

1) неизменностью равновесного состояния системы во времени при постоян­ных внешних условиях. 2)подвижностью равновесия (самопроизвольным восста­новлением состояния равновесия после снятия внешнего воздействия, вызвав­шего отклонение системы от положения равновесия);

3) динамическим характе­ром равновесия, т. е. установлением и сохранением равновесия вследствие ра­венства скоростей прямого и обратного процессов;

4) возможностью подхода к. состоянию равновесия с двух противоположных сторон;

5) минимальным значе­нием энергии Гиббса в изобарно-изотермических и энергии Гельмгольца F а изохорно-изотермических процессах (dG= 0. d²G > 0; df= 0, d2F > 0).

Из этих общих условий выводятся конкретные условия для хими­ческого равновесия.

Химические реакции, как правило, обратимы. По мере протекания процесса скорость прямой реакции уменьшается, а скорость обратной реакции увеличивается; в какой-то момент времени скорости прямой и обратной реакций становятся равными — насту­пает состояние химического равновесия. Химическое равновесие ха­рактеризуется неизменностью числа молекул веществ, составляющих химическую систему, при неизменных внешних условиях. Так как условием равновесия при постоянных Т и Р служит минимум энергии Гиббса (dG = 0), то в условиях химического равновесия должно так­же соблюдаться равенство

(2.1)

где - химический потенциал компонента : — количество ком­понента (моль).

Известно, что химическим потенциалом называется величина

Большая положительная величина указывает на высокую реак­ционную способность частиц.

Закон действующих масс. Пусть дана гомогенная реакция:

скорость прямой реакции пропорциональна произведению концентраций реагентов А и В:

а скорость обратной реакции — произведению концентраций продук­тов R и S:

Отношение констант скоростей, называемое константой равнове­сия, обозначим через Кс, получаем выражение закона действующих масс:

(1)

Как следует из выражения (1), константа равновесия не зависит от концентрации, так как изменение концентрации одного из участ­ников реакции вызовет такие изменения концентрации всех осталь­ных веществ, что Кс сохранит свое числовое значение. Таким образом, основное значение закона действующих масс состоит в том, что он устанавливает связь между равновесными концентрациями всех реаги­рующих веществ.

При анализе реакций, протекающих в газовой фазе, константу равновесия выражают через парциальные давления:

(2)

Стандартная энергия Гиббса при данной температуре: (3)

Уравнение (3) называется уравнением изотермы Вант-Го ффа. Оно в общем виде связывает между собой энергию Гиббса и константу равновесия, которую можно вычислить, зная G°. Значения стандартных энергий Гиббса образования многих тысяч химических соединений сведены в таблицы термодинамических свой­ств и приведены в справочной литературе. В случае отсутствия таб­личных значений их рассчитывают, используя уравнение (4)

где — стандартные энтальпия и энтропия. Значения этих стандартных термодинамических величин также приводятся в спра­вочной литературе. Порядок и знак величины позволяют качественно предвидеть положение равновесия реакции. Если , равновесие сдвинуто вправо, выход продукта велик, а константа равновесия имеет большое числовое значение. Если , равновесие сдвинуто влево, выход продукта мал

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: