Нека разгледаме общата обратна реакция
Експерименталните изследвания показват, че в състояние на равновесие е валидна следната връзка:
(квадратните скоби показват концентрация). Горната връзка е математически израз на закона за действието на масите или закона за химичното равновесие, според който в състояние на химично равновесие при определена температура произведението на концентрациите на реакционните продукти в степени, експоненти
които са равни на съответните коефициенти в стехиометричното уравнение на реакцията, разделени на подобен продукт на концентрациите на реагентите в съответните степени, представлява постоянна стойност. Тази константа се нарича константа на равновесие. Изразяването на равновесната константа по отношение на концентрациите на продуктите и реагентите е характерно за реакциите в разтвори.
Имайте предвид, че дясната страна на израза за равновесната константа съдържа само концентрациите на разтворените вещества. Не трябва да включва никакви термини, свързани с чистите твърди вещества, чистите течности или разтворителите, участващи в реакцията, тъй като тези термини са постоянни.
За реакции, включващи газове, равновесната константа се изразява чрез парциалните налягания на газовете, а не като техните концентрации. В този случай равновесната константа се обозначава със символа .
Концентрацията на газ може да бъде изразена чрез неговото налягане, като се използва уравнението на състоянието на идеалния газ (вижте раздел 3.1):
От това уравнение следва
където е концентрацията на газ, която може да се означи като [газ]. Тъй като - е постоянна стойност, можем да запишем това при дадена температура
Нека изразим равновесната константа за реакцията между водород и йод по отношение на парциалните налягания на тези газове.
Уравнението за тази реакция има формата
Следователно равновесната константа на тази реакция се дава от
Нека отбележим, че концентрациите или парциалните налягания на продуктите, т.е. веществата, посочени от дясната страна на химичното уравнение, винаги формират числителя, а концентрациите или парциалните налягания на реагентите, т.е. веществата, посочени от лявата страна на химикала уравнение, винаги образуват знаменателя на израза за равновесната константа.
Мерни единици за равновесната константа
Равновесната константа може да бъде размерна или безразмерна величина в зависимост от вида на нейния математически израз. В примера по-горе равновесната константа е безразмерна величина, тъй като числителят и знаменателят на дробта имат еднакви размери. В противен случай константата на равновесие има измерение, изразено в единици концентрация или налягане.
Какъв е размерът на равновесната константа за следната реакция?
Следователно, той има измерение (mol-dm-3)
И така, размерът на разглежданата равновесна константа е или dm3/mol.
Какъв е размерът на равновесната константа за следната реакция?
Равновесната константа на тази реакция се определя от израза
Следователно има измерение
И така, размерът на тази равновесна константа е: atm или Pa.
Хетерогенни равновесия
Досега дадохме примери само за хомогенни равновесия. Например, в реакцията на синтез на йодоводород, както продуктът, така и двата реагента са в газообразно състояние.
Като пример за реакция, водеща до хетерогенно равновесие, разгледайте термичната дисоциация на калциевия карбонат
Равновесната константа на тази реакция се дава от
Имайте предвид, че този израз не включва никакви термини, свързани с двете твърди вещества, участващи в реакцията. В дадения пример равновесната константа представлява налягането на дисоциация на калциевия карбонат. Това показва, че ако калциевият карбонат се нагрява в затворен съд, тогава налягането му на дисоциация при фиксирана температура не зависи от количеството калциев карбонат. В следващия раздел ще научим как равновесната константа се променя с температурата. В разглеждания пример налягането на дисоциация надвишава 1 atm само при по-висока температура. Следователно, за да може диоксидът
константа (от лат. constans, ген. constantis - постоянен, непроменим) - един от обектите в определена теория, чието значение в рамките на тази теория (или, понякога, по-тясно разглеждане) винаги се счита за едно и също. К. се противопоставят на такива обекти, чиито значения се променят (сами по себе си или в зависимост от промените в значенията на други обекти). Наличието на К. при изразяване на мн.ч. отразява законите на природата и обществото. неизменността на определени аспекти на реалността, проявена в наличието на модели. Важна разновидност на К. е К., която се класифицира като физическа. величини, като дължина, време, сила, маса (например масата на покой на електрона) или по-сложни величини, изразими числено чрез връзките между тези величини или техните мощности, като обем, скорост, работа и др. .P. (напр. ускорение на гравитацията на земната повърхност). Тези от К. от този вид, които се разглеждат в съвремието. физика (в рамките на съответните й теории), които са значими за цялата наблюдаема част от Вселената, т.нар. световен (или универсален) К.; Примери за такива квантови параметри са скоростта на светлината във вакуум, квантовата константа на Планк (т.е. стойността на така наречения квант на действие), гравитационната константа и др. Науката обърна внимание на голямото значение на световните квантови константи в 20-30-те години. 20-ти век В същото време някои чуждестранни учени (английският физик и астроном А. Едингтън, немският физик Хайзенберг, австрийският физик А. Марч и др.) се опитаха да им дадат идеалистичен подход. интерпретация. Така Едингтън вижда в системата на световния космос едно от проявленията на независимостта. съществуването на идеални математически форми, изразяващи хармонията на природата и нейните закони. Всъщност универсалните К. не отразяват въображаем Аз. съществуването (извън нещата и знанието) на посочените форми и (обикновено изразени математически) основните закони на обективната реалност, по-специално законите, свързани със структурата на материята. Дълбока диалектика. Значението на световните принципи се разкрива във факта, че някои от тях (квантовата константа на Планк, скоростта на светлината във вакуум) са своеобразни скали, които разграничават различни класове процеси, протичащи по принципно различни начини; в същото време такива К. показват наличието на определение. връзки между явленията на тези класове. По този начин връзката между законите на класическата и релативистичната механика (виж Теория на относителността) може да се установи от разглеждането на такъв ограничаващ преход на уравненията на движението на релативистичната механика в уравненията на движението на класическата. механика, която е свързана с идеализация, която се състои в изоставяне на идеята за скоростта на светлината в празнотата като крайна K. и в разбирането на скоростта на светлината като безкрайно голяма; с друга идеализация, която се състои в разглеждането на кванта на действието като безкрайно малка величина, уравненията на движението на квантовата теория се трансформират в уравненията на движението на класическата теория. механика и др. В допълнение към тези най-важни К., дефинирани чисто физически и фигуриращи във формулировките на много основни принципи. законите на природата, тези, дефинирани чисто математически, К., като числата 0, са широко използвани там; 1; ? (съотношение на обиколка към диаметър); e (основа на естествените логаритми); Не по-рядко се използват константата на Ойлер и др. К., които са резултат от добре известни математически изследвания. операции върху определени комплекси.Но колкото по-трудно е да се изрази често използван комплекс чрез по-просто дефинирани комплекси (или най-простите комплекси като 0 и 1) и известни операции, толкова по-независимо е участието му във формулировките на тези закони и отношения в колкото по-често се появява, толкова по-често се въвеждат специални лекарства за него. обозначение, изчислете или измерете възможно най-точно. Някои от величините се появяват от време на време и са Q. само в рамките на разглеждането на определен проблем и дори могат да зависят от избора на условия (стойности на параметрите) на проблема, като стават Q. само когато тези условия са фиксирани. Такива количества често се обозначават с буквите C или K (без да се свързват тези обозначения веднъж завинаги с едно и също количество) или просто се пише, че такова и такова количество = const. А. Кузнецов, И. Ляхов. Москва. В случаите, когато в математиката или логиката ролята на разглежданите обекти се играе от функции, тези от тях се наричат тези, чиято стойност не зависи от стойностите на аргументите на тези функции. Например К. е разликата x–x като функция от x, т.к за всички (числови) стойности на променливата x, стойността на функцията x–x е едно и също число 0. Пример за функция на логическата алгебра, която е K. е A/A (разглеждана като функция на „изявление за променлива“ A), тъй като за всички възможни стойности на неговия аргумент А той има (в рамките на обичайната, класическа алгебра на логиката) същата стойност 1 (която се характеризира с логическата стойност „истина“, конвенционално идентифицирана с нея). Пример за по-сложна функция от алгебрата на логиката е функцията (AB?BA). В някои случаи функция, чиято стойност е постоянна, се идентифицира със самата тази стойност. В този случай стойността на функцията се появява като К. (по-точно като функция, която е К.). Всички избрани буквени променливи (например A, B, x, y и т.н.) могат да се считат за аргументи на тази функция, тъй като тя и без това не зависи от тях. В други случаи такова идентифициране на функция, която е К., не се прави с нейното значение, т.е. разграничава два аргумента, единият от които има променлива сред своите аргументи, а другият не. Това позволява, например, да се дефинира функция като нейна таблица и също така опростява схемата. дефиниране на определени операции върху функции. Наред с такива кодове, чиито стойности са числа (може и наименувани) или се характеризират с числа, има и други кодове.Например в теорията на множествата важен код е естествената серия N, т.е. множеството от всички неотрицателни цели числа. числа. Стойността на функция, която е К., също може да бъде обект от всякакво естество. Например, като се имат предвид функциите на такава променлива A, чиито стойности са подмножества на естествената серия, може да се определи една от тези функции, чиято стойност за всички стойности на променливата A ще бъде множеството от всички прости числа. В допълнение към физическото количества и функции в ролята на такива обекти, някои от които се оказват символи, те често (особено в логиката и семантиката) разглеждат знаци и техните комбинации: думи, изречения, термини, формули и др., а като значение тези на тях, чиито значения не са специално обсъждани, техните семантични значения (ако има такива). В същото време се разкриват нови К. И така, в аритметиката. Изразът (член) 2+3–2 K съдържа не само числата 2 и 3 и резултатите от действията върху тях, но и знаците + и –, чиито значения са операциите събиране и изваждане. Тези знаци, като К. в рамките на теоретичните съображенията на обикновената училищна аритметика и алгебра престават да бъдат К. когато навлезем в по-широката област на съвременната наука. алгебра или логика, където знакът + в някои случаи има значението на операцията на обикновено събиране на числа, в други случаи (например в алгебрата на логиката) - добавяне по модул 2 или булево събиране, в други случаи - друга операция . Въпреки това, по време на по-тесни съображения (например при конструиране на конкретна алгебрична или логическа система), значенията на знаците на операциите са фиксирани и тези знаци, за разлика от знаците на променливите, стават К. Изолиране на логическо. К. играе специална роля, когато се прилага към природни обекти. език. В ролята на логически К. на руски език език, например, такива съюзи като „и“, „или“ и т.н., такива кванторни думи като „всички“, „всеки“, „съществува“, „някои“ и т.н., такива свързващи глаголи, като „е ”, „същност”, „е” и т.н., както и такива по-сложни фрази като „ако..., тогава”, „ако и само ако”, „има само един”, „този, който” , „такъв, който“, „еквивалентен на този“ и т.н. Чрез подчертаване на логически. К. в естествен езикът е признаването на еднаквостта на тяхната роля в огромен брой случаи на изводи или други разсъждения, което прави възможно комбинирането на тези случаи в една или друга единна схема (логическо правило), в която обекти, различни от идентифицираните от принципите се заменят със съответните променливи. Колкото по-малък е броят на схемите, които могат да обхванат всички разглеждани случаи на разсъждение, толкова по-прости са самите тези схеми и колкото повече сме гарантирани срещу възможността за погрешно разсъждение въз основа на тях, толкова по-оправдан е изборът на логическата логика, която се появява в тези схеми. ДА СЕ. А. Кузнецов. Москва. Лит.:Едингтън?, Пространство, време и гравитация, прев. от англ., О., 1923; Джинс Д., Вселената около нас, прев. от англ., Л.–М., 1932; Роден М., Мистериозен номер 137, в: Напредък във физиката. науки, т. 16, бр. 6, 1936; Хайзенберг В., Филос. проблеми на атомната физика, М., 1953; неговото, откритието и основите на Планк. Философ въпроси на учението за атомите, "Проблеми на философията", 1958, № 11; него, Физика и философия, М., 1963; сб. Изкуство. по математика логика и нейните приложения към някои въпроси на кибернетиката, в книгата: Тр. математика. институт, т. 51, М., 1958; Кузнецов И.В., Какво е прав и какво не е Вернер Хайзенберг, „Въпроси на философията“, 1958 г., № 11; Успенски В.?., Лекции по изчислими функции, М., 1960; Kaye, J. и Laby, T., Phys. Tables. и хим. постоянен, прев. от английски, 2-ро изд., М., 1962; Курош А. Г., Лекции по обща алгебра, М., 1962; Свидерски В. И. За диалектиката на елементите и структурата в обективния свят и в знанието, М., 1962, гл. 3; ?ddington A. St., Нови пътища в науката, Camb., 1935; негова, Теория на относителността на протоните и електроните, L., 1936; от него, Философията на физическата наука, N. Y.–Camb., 1939; Louis de Broglie, physicien et penseur, P., ; Март?., Die physikalische Erkenntnis und ihre Grenzen, 2 Aufl., Брауншвайг, 1960 г.
Нека се върнем към процеса на производство на амоняк, изразен с уравнението:
N 2 (g) + 3H 2 (g) → 2NH 3 (g)
Намирайки се в затворен обем, азотът и водородът се комбинират и образуват амоняк. Колко дълго ще продължи този процес? Логично е да се предположи, че докато не свърши някой от реагентите. В реалния живот обаче това не е съвсем вярно. Факт е, че известно време след началото на реакцията, полученият амоняк ще започне да се разлага на азот и водород, т.е. ще започне обратна реакция:
2NH 3 (g) → N 2 (g) + 3H 2 (g)
Всъщност в затворен обем ще се осъществят две реакции, директно противоположни една на друга. Следователно този процес се записва със следното уравнение:
N 2 (g) + 3H 2 (g) ↔ 2NH 3 (g)
Двойна стрелка показва, че реакцията протича в две посоки. Реакцията на свързване на азот и водород се нарича директна реакция. Реакция на разлагане на амоняк - обратна реакция.
В самото начало на процеса скоростта на директната реакция е много висока. Но с течение на времето концентрациите на реагентите намаляват, а количеството на амоняка се увеличава - в резултат на това скоростта на правата реакция намалява, а скоростта на обратната реакция се увеличава. Идва момент, когато се сравняват скоростите на правата и обратната реакция - настъпва химично равновесие или динамично равновесие. При равновесие възникват както права, така и обратна реакция, но техните скорости са еднакви, така че не се забелязват промени.
Константа на равновесие
Различните реакции протичат по различни начини. При някои реакции се образува доста голям брой реакционни продукти, преди да настъпи равновесие; в други - много по-малко. По този начин можем да кажем, че определено уравнение има своя собствена константа на равновесие. Познавайки равновесната константа на реакцията, е възможно да се определят относителните количества реагенти и реакционни продукти, при които възниква химично равновесие.
Нека някаква реакция се описва с уравнението: aA + bB = cC + dD
- a, b, c, d - коефициенти на уравнението на реакцията;
- A, B, C, D - химични формули на веществата.
Константа на равновесие:
[C] c [D] d K = ———————— [A] a [B] b
Квадратните скоби показват, че формулата включва моларни концентрации на вещества.
Какво казва константата на равновесието?
За синтез на амоняк при стайна температура K = 3,5·10 8. Това е доста голямо число, което показва, че химичното равновесие ще настъпи, когато концентрацията на амоняк е много по-голяма от останалите изходни материали.
При реалното производство на амоняк задачата на технолога е да получи възможно най-високия коефициент на равновесие, т.е. така че директната реакция да протече докрай. Как може да се постигне това?
Принцип на Льо Шателие
Принцип на Льо Шателиегласи:
Как да разбираме това? Всичко е много просто. Има три начина да нарушите баланса:
- промяна на концентрацията на веществото;
- промяна на температурата;
- промяна на налягането.
Когато реакцията на синтез на амоняк е в равновесие, тя може да бъде изобразена по следния начин (реакцията е екзотермична):
N 2 (g) + 3H 2 (g) → 2NH 3 (g) + Загряване
Промяна на концентрацията
Нека въведем допълнителен азот в една балансирана система. Това ще наруши баланса:
Предната реакция ще започне да протича по-бързо, защото количеството азот се е увеличило и повече от него реагира. След известно време отново ще възникне химическо равновесие, но концентрацията на азот ще бъде по-голяма от концентрацията на водород:
Но е възможно системата да се „изкриви“ наляво по друг начин - чрез „осветяване“ на дясната страна, например чрез отстраняване на амоняка от системата, докато се образува. Така пряката реакция на образуване на амоняк отново ще преобладава.
Смяна на температурата
Дясната страна на нашата „скала“ може да се промени чрез промяна на температурата. За да „претегли“ лявата страна, е необходимо да „олекнете“ дясната страна - намалете температурата:
Промяна на налягането
Възможно е да се наруши равновесието в система с помощта на налягане само при реакции с газове. Има два начина за увеличаване на налягането:
- намаляване на обема на системата;
- въвеждане на инертен газ.
С увеличаване на налягането броят на молекулярните сблъсъци се увеличава. В същото време концентрацията на газове в системата се увеличава и скоростта на правата и обратната реакция се променя - равновесието се нарушава. За да възстанови баланса, системата се „опитва“ да намали налягането.
По време на синтеза на амоняк две молекули амоняк се образуват от 4 молекули азот и водород. В резултат на това броят на газовите молекули намалява - налягането пада. В резултат на това, за да се достигне равновесие след увеличаване на налягането, скоростта на предната реакция се увеличава.
Обобщете.Според принципа на Le Chatelier, производството на амоняк може да се увеличи чрез:
- повишаване на концентрацията на реагентите;
- намаляване на концентрацията на реакционните продукти;
- намаляване на реакционната температура;
- повишаване на налягането, при което протича реакцията.
