Равновесие после изменения условий
Переключай воздействие на синтез аммиака и прослеживай восстановление равенства скоростей.
Это условная шкала прогресса, не время в секундах и не процент выхода.
Стрелки показывают направление и условное соотношение скоростей; численный выход аммиака здесь не рассчитывается.
Равновесие подвижно: реакции продолжаются
В закрытой системе обратимое превращение идёт в обоих направлениях. Сначала, если есть только реагенты, преимущественно образуются продукты. По мере накопления продуктов возрастает роль обратной реакции; в некоторый момент скорости прямого и обратного процессов сравниваются.
| Признак / объект | Что означает | Пояснение |
|---|---|---|
| До равновесия | Скорости различаются | Состав меняется |
| При равновесии | Скорости равны | Состав постоянен |
| На уровне частиц | Оба процесса продолжаются | Равновесие динамическое |
При равновесии концентрации постоянны во времени, хотя частицы продолжают превращаться. Равенство скоростей не означает равенства концентраций. Например, в модельном равновесии A ⇌ B может быть 20 % A и 80 % B: важно, что за единицу времени из A получается столько же B, сколько B превращается обратно.
В равновесии равны скорости прямой и обратной реакций. Концентрации постоянны, но не обязаны быть равными.
Концентрация и отвод продукта
Принцип Ле Шателье позволяет предсказать направление изменения равновесного состава после внешнего воздействия. Если добавить реагент, система обычно расходует часть добавленного вещества; если удалить продукт, система образует дополнительное его количество. Новое состояние достигается за некоторое время.
Воздействие запускает переход к новому равновесию
N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃
Система ослабляет воздействие, но не обязана вернуть все концентрации к прежним значениям.
Для N₂(г) + 3H₂(г) ⇌ 2NH₃(г) добавление N₂ или H₂ способствует образованию NH₃, а удаление NH₃ поддерживает дальнейший синтез. Слова «расходуется часть» важны: концентрация добавленного реагента после установления нового равновесия не обязана стать ниже первоначальной.
Подробности: понятия и примеры
- Воздействие
Добавили реагент или удалили продукт
- Сразу после него
Прямая и обратная скорости различаются
- Перестройка
Преобладает одно направление
- Новое равновесие
Скорости снова равны
Изменение концентрации нарушает равенство скоростей. Отвод продукта может увеличить степень превращения реагентов.
Модель молекулы аммиака NH₃
Три связи N—H и пирамидальная форма молекулы помогают объяснить её полярность и взаимодействие с водой.
Ben Mills · Wikimedia Commons · Public domain. Без изменений.
Не удалось загрузить изображение. Открыть источник
Модель молекулы водорода H₂
Простое вещество водород состоит из двухатомных молекул H₂.
Hoa112008 · Wikimedia Commons · Public domain. Без изменений.
Не удалось загрузить изображение. Открыть источник
Сжатие и температура действуют по разным причинам
Сжатие газовой смеси при постоянной температуре смещает равновесие в сторону меньшего суммарного количества газообразных частиц. В синтезе аммиака слева четыре моля газов, справа два, поэтому сжатие способствует образованию NH₃. Если газовые коэффициенты по сторонам равны, такого смещения нет.
| Воздействие на синтез NH₃ | Направление | Причина |
|---|---|---|
| Сжатие | Вправо | 4 моль газа превращаются в 2 |
| Нагревание | Влево | Обратное направление поглощает теплоту |
| Охлаждение | Вправо | Прямое направление выделяет теплоту |
| Инертный газ при V = const | Без смещения | Концентрации участников прежние |
Нагревание благоприятствует эндотермическому направлению, охлаждение — экзотермическому. Синтез NH₃ экзотермичен, поэтому охлаждение повышает равновесную долю аммиака, но замедляет достижение равновесия. Добавление инертного газа при постоянных объёме и температуре не меняет концентрации реагентов и не сдвигает идеальное газовое равновесие.
Давление оценивают по газовым коэффициентам и способу его изменения. Температуру оценивают по тепловому эффекту направления реакции.
Производство ищет и скорость, и выход
Катализатор одинаково помогает системе проходить прямой и обратный пути: равновесие устанавливается быстрее, но его положение не меняется. Поэтому высокий равновесный выход и большая скорость — две отдельные цели. Очень низкая температура выгодна выходу NH₃, но непрактична из-за медленного превращения.
- Равновесие
Оцениваем направление смещения
- Скорость
Выбираем температуру и катализатор
- Разделение
Выделяем аммиак из смеси
- Возврат
Повторно используем N₂ и H₂
В промышленном синтезе выбирают повышенное давление, умеренно высокую температуру и катализатор; аммиак выделяют из смеси, непрореагировавшие газы возвращают в процесс. Конкретные параметры зависят от установки. Такая схема объединяет термодинамику, кинетику и разделение смеси, а не одно «лучшее» условие.
Катализатор ускоряет установление равновесия без его смещения. Производство сочетает подходящие условия с отделением продукта и возвратом сырья.
Шесть выводов
Тест по параграфу10 вопросов · 4 варианта · один правильный · 0,5 балла за ответ · максимум 5
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Химия, 11 класс», § 22. Материал переработан и дополнен разъяснениями; источник: 11 класс. Химия — § 22. Химическое равновесие.pdf. Указаны условия реакций, единицы величин и границы применимости моделей. Числовые примеры решены по шагам.
Иллюстрации загружаются непосредственно с Wikimedia Commons; авторы и лицензии указаны под изображениями. Схемы и обучающие модели созданы для этого конспекта.
OpenStax: Chemistry 2e OpenStax: смещение химического равновесия