Razmotrimo opštu povratnu reakciju
Eksperimentalna istraživanja pokazuju da je u stanju ravnoteže ispunjena sljedeća relacija:
(uglaste zagrade označavaju koncentraciju). Gornji omjer je matematički izraz zakona djelovanja mase, odnosno zakona kemijske ravnoteže, prema kojem, u stanju kemijske ravnoteže na određenoj temperaturi, proizvod koncentracija produkta reakcije u snagama, indikatorima
koji su jednaki odgovarajućim koeficijentima u stehiometrijskoj jednačini reakcije, podijeljeni sa sličnim proizvodom koncentracija reaktanata u odgovarajućim snagama, je konstantna vrijednost. Ova konstanta se naziva konstanta ravnoteže. Izraz konstante ravnoteže u smislu koncentracija produkata i reaktanata tipičan je za reakcije u otopinama.
Imajte na umu da desna strana izraza za konstantu ravnoteže sadrži samo koncentracije otopljenih supstanci. Ne bi trebalo da sadrži pojmove koji se odnose na čiste čvrste materije, čiste tečnosti, rastvarače koji učestvuju u reakciji, jer su ti pojmovi konstantni.
Za reakcije koje uključuju plinove, konstanta ravnoteže se izražava u parcijalnim pritiscima plinova, a ne u smislu njihovih koncentracija. U ovom slučaju, konstanta ravnoteže je označena simbolom .
Koncentracija gasa se može izraziti u smislu njegovog pritiska korišćenjem jednačine stanja idealnog gasa (videti odeljak 3.1):
Iz ove jednačine slijedi
gdje je koncentracija plina, koja se može označiti kao [gas]. Pošto je konstantna vrijednost, možemo to napisati na datoj temperaturi
Izrazimo konstantu ravnoteže za reakciju između vodonika i joda u terminima parcijalnih pritisaka ovih gasova.
Jednačina za ovu reakciju ima oblik
Dakle, konstanta ravnoteže ove reakcije je data sa
Obratimo pažnju na činjenicu da koncentracije ili parcijalni pritisci proizvoda, odnosno supstanci naznačenih na desnoj strani hemijske jednadžbe, uvek čine brojnik, a koncentracije ili parcijalni pritisci reagensa, tj. naznačene na lijevoj strani hemijske jednačine, uvijek čine nazivnik izraza za konstantu ravnoteže.
Jedinice za konstantu ravnoteže
Konstanta ravnoteže može se pokazati kao dimenzionalna ili bezdimenzionalna veličina, ovisno o vrsti njenog matematičkog izraza. U gornjem primjeru, konstanta ravnoteže je bezdimenzionalna jer brojnik i nazivnik razlomka imaju iste dimenzije. Inače, konstanta ravnoteže ima dimenziju izraženu u jedinicama koncentracije ili pritiska.
Kolika je dimenzija konstante ravnoteže za sljedeću reakciju?
Dakle, ima dimenziju (mol-dm-3)
Dakle, dimenzija razmatrane konstante ravnoteže ili dm3/mol.
Kolika je dimenzija konstante ravnoteže za sljedeću reakciju?
Konstanta ravnoteže ove reakcije određena je izrazom
Dakle, ima dimenziju
Dakle, dimenzija ove konstante ravnoteže: atm ili Pa.
Heterogene ravnoteže
Do sada smo davali primjere samo homogenih ravnoteža. Na primjer, u reakciji sinteze vodikovog jodida, i proizvod i oba reaktanta su u plinovitom stanju.
Kao primjer reakcije koja vodi do heterogene ravnoteže, razmotrite termičku disocijaciju kalcijum karbonata
Konstanta ravnoteže ove reakcije je data sa
Imajte na umu da ovaj izraz ne uključuje izraze koji se odnose na dvije čvrste tvari uključene u reakciju. U prikazanom primeru, konstanta ravnoteže je pritisak disocijacije kalcijum karbonata. Pokazuje da ako se kalcijum karbonat zagrijava u zatvorenoj posudi, tada njegov disocijacijski tlak na fiksnoj temperaturi ne ovisi o količini kalcijum karbonata. U sljedećem dijelu ćemo naučiti kako se konstanta ravnoteže mijenja s temperaturom. U primjeru koji se razmatra, pritisak disocijacije prelazi 1 atm samo na temperaturi iznad. Dakle, da bi dioksid
konstanta (od lat. constans, genus n. constantis - konstantan, nepromijenjen), - takav predmet u određenoj teoriji, čije se značenje unutar ove teorije (ili, ponekad, užeg razmatranja) uvijek smatra istim. K. se suprotstavljaju takvim objektima čije se vrijednosti mijenjaju (sami ili ovisno o promjeni vrijednosti drugih objekata). Prisustvo K. u izrazu mnogih. zakone prirode i društva odražava odnose. nepromjenjivost određenih aspekata stvarnosti, koja se manifestuje u prisustvu obrazaca. Važna varijanta K. je K., vezana za broj fizičkih. veličine, kao što su dužina, vrijeme, sila, masa (na primjer, masa mirovanja elektrona), ili složenije veličine izražene numerički u smislu omjera između ovih K. ili njihovih snaga, kao što su volumen, brzina, rad, itd. .P. (npr. ubrzanje gravitacije na površini Zemlje). One iz K. ove vrste, to-rye se smatraju modernim. fizika (u okviru svojih teorija) relevantna za cijeli vidljivi dio svemira, tzv. svjetski (ili univerzalni) K.; Primjeri takvog kvanta su brzina svjetlosti u vakuumu, Planckova kvantna konstanta (tj. vrijednost takozvanog kvanta djelovanja), gravitacijska konstanta i drugi. 20ti vijek U isto vrijeme, neki strani naučnici (engleski fizičar i astronom A. Eddington, njemački fizičar Heisenberg, austrijski fizičar A. March, itd.) pokušavali su ih dati idealističkim. interpretacija. Dakle, Eddington je u sistemu svijeta k. vidio jednu od manifestacija samodovoljnosti. postojanje idealnog matematičkog forme koje izražavaju harmoniju prirode i njenih zakona. U stvari, univerzalni K. ne odražavaju imaginarnu samodovoljnost. bivstvovanje (izvan stvari i spoznaje) naznačenih oblika, i (obično izraženo matematički) fundamentalne pravilnosti objektivne stvarnosti, posebno pravilnosti povezane sa strukturom materije. duboka dijalektika. smisao svjetske kvantne mehanike otkriva se u činjenici da su neke od njih (Planckova kvantna konstanta, brzina svjetlosti u vakuumu) neka vrsta skale koja omeđuje različite klase procesa koji se odvijaju na fundamentalno različite načine; istovremeno, takvi K. ukazuju na prisustvo određenog. veze između fenomena ovih klasa. Dakle, veza između zakona klasične. a relativistička mehanika (vidi Teorija relativnosti) može se uspostaviti iz razmatranja takvog ograničavajućeg prijelaza jednačina kretanja relativističke mehanike na jednačine kretanja klasične. mehanike, koja je povezana s idealizacijom, koja se sastoji u odbacivanju ideje o brzini svjetlosti u vakuumu kao konačnom K. i u razumevanju brzine svetlosti kao beskonačno velike; uz drugu idealizaciju, koja se sastoji u razmatranju kvanta akcije kao beskonačno male veličine, jednačine kretanja kvantne teorije prelaze u jednačine kretanja klasične. mehanika itd. Pored ovih najvažnijih K., utvrđenih čisto fizički i pojavljuju se u formulacijama mnogih osnovnih. zakoni prirode se široko koriste na istom mjestu i takav, čisto matematički definiran, K., kao broj 0; jedan; ? (odnos obima i prečnika); e (baza prirodnih logaritama); Ojlerova konstanta i dr. Ne manje se koriste ni K., koji su rezultati poznatih matematičkih. operacije na naznačenom K. Ali što je teže izraziti često korišćeni K. kroz jednostavnije definisane K. (ili tako najjednostavnije K. kao što su 0 i 1) i poznate operacije, to je nezavisnije njegovo učešće u formulacijama onih zakonima i odnosima, u to-rykh se javlja, što se češće za to uvodi poseban. oznaku, izračunajte ili izmjerite što je moguće preciznije. Neke od veličina se javljaju sporadično i K. su samo u okviru razmatranja određenog problema, a mogu čak i zavisiti od izbora uslova (vrijednosti parametara) problema, postajući K. tek kada ovi uslovi su fiksni. Takvi K. se često označavaju slovima C ili K (bez povezivanja ovih oznaka jednom zauvijek s istim K.) ili jednostavno pišu da je takva i takva vrijednost \u003d const. A. Kuznjecov, I. Ljahov. Moskva. U slučajevima kada funkcije igraju ulogu predmeta koji se razmatraju u matematici ili logici, K. se nazivaju takvima, čija vrijednost ne ovisi o vrijednostima argumenata ovih funkcija. Na primjer, K. je razlika x–x kao funkcija x, jer za sve (numeričke) vrijednosti varijable x, vrijednost funkcije x–x je isti broj 0. za sve moguće vrijednosti svog argumenta A, ima (u okviru uobičajene, klasične algebre logike) istu vrijednost 1 (koju karakterizira logička vrijednost "true" uslovno identificirana s njim). Primjer složenijeg K. iz algebre logike je funkcija (AB? BA). U nekim slučajevima, funkcija čija je vrijednost konstantna se identificira sa samom ovom vrijednošću. U ovom slučaju, vrijednost funkcije se već pojavljuje kao K. (tačnije, kao funkcija koja je K.). Argumenti ovoj funkciji mogu biti bilo koje odabrane literalne varijable (npr. A, B, x, y, itd.), jer u svakom slučaju, to ne zavisi od njih. U drugim slučajevima, takva identifikacija funkcije, koja je ključ, se ne vrši sa njenom vrijednošću, tj. razlikuju takva dva K., od kojih jedan ima varijablu među svojim argumentima, a drugi nema. Ovo omogućava, na primjer, definiranje funkcije kao njene tablice, a također pojednostavljuje shemu. definicija određenih operacija nad funkcijama. Uz takve konstante, čije su vrijednosti brojevi (moguće imenovani) ili ih karakteriziraju brojevi, postoje i druge konstante. skup svih cijelih brojeva nije negativan. brojevi. Vrijednost funkcije, koja je K., također može biti objekt bilo koje prirode. Na primjer, uzimajući u obzir funkcije takve varijable A čije su vrijednosti podskupovi prirodnog niza, može se odrediti jedna od ovih funkcija čija je vrijednost za sve vrijednosti varijable A skup svih prostih brojeva. Pored fizičkog količine i funkcije u ulozi takvih objekata, od kojih se neki ispostavljaju kao K., često (posebno u logici i semantici) razmatraju znakove i njihove kombinacije: riječi, rečenice, pojmove, formule itd., a kao značenja one od njih, čija značenja nisu posebno navedena, njihova semantička značenja (ako ih ima). Istovremeno se otkrivaju novi K. Dakle, u aritmetici. izraz (pojam) 2 + 3–2 K. nisu samo brojevi 2 i 3 i rezultati operacija na njima, već i znaci + i -, čije su vrijednosti operacije sabiranja i oduzimanja. Ovi znakovi, budući da su K. u okviru teorijskog razmatranje obične školske aritmetike i algebre prestaje biti K. kada uđemo u šire područje moderne. algebra ili logika, gdje znak + u nekim slučajevima ima značenje operacije običnog sabiranja brojeva, u drugim slučajevima (na primjer, u algebri logike) - zbrajanje po modulu 2 ili Boolean zbrajanje, u drugim slučajevima - druga operacija . Međutim, uz uža razmatranja (na primjer, kada se konstruira određeni algebarski ili logički sistem), značenja znakova operacija su fiksna i ti predznaci, za razliku od znakova varijabli, postaju K. Izbor logičkog. K. igra posebnu ulogu kada se primjenjuje na objekte iz prirode. jezik. U ulozi logičkog K. na ruskom. jezik uključuje, na primjer, veznike kao što su "i", "ili", itd., takve kvantifikatorske riječi kao što su "sve", "bilo koji", "postoji", "neki" itd., kao što su glagoli za povezivanje, kao " je", "suština", "jest" itd., kao i složenije fraze kao što su "ako..., onda", "ako i samo ako", "postoji samo jedan", "onaj koji" , "takvo da", "ekvivalentno tome" itd. Putem isticanja logičkog. K. u prirodi. Jezik je prepoznavanje sličnosti njihove uloge u ogromnom broju slučajeva zaključivanja ili drugog rasuđivanja, što omogućava da se ti slučajevi kombinuju u jednu ili drugu shemu (logičko pravilo), u kojoj se objekti razlikuju od onih koji se razlikuju. sa K. se zamjenjuju odgovarajućim varijablama. Što je manji broj shema koje mogu pokriti sve slučajeve rasuđivanja koje se razmatraju, to su same sheme jednostavnije, i što smo više zagarantovani od mogućnosti pogrešnog zaključivanja o njima, to je opravdaniji izbor onih logičkih koji se pojavljuju. u ovim šemama. TO. A. Kuznetsov. Moskva. Lit.: Eddington?., Prostor, vrijeme i gravitacija, trans. s engleskog, O., 1923; Džins, D., Univerzum oko nas, prev. s engleskog, L.–M., 1932; Rođen M., Misteriozni broj 137, u sub.: Uspekhi nat. nauke, tom 16, br. 6, 1936; Heisenberg W., Philos. problemi atomske fizike, M., 1953; svoje, Planckovo otkriće i DOS. filozofija pitanja doktrine atoma, "Problemi filozofije", 1958, br. 11; svoje, Fizika i filozofija, M., 1963; Sat. Art. po matematici. logike i njene primjene na pojedina pitanja kibernetike, u: Tr. math. in-ta, t. 51, M., 1958; Kuznjecov IV, Šta je Werner Heisenberg u pravu, a šta pogrešno, "Problemi filozofije", 1958, br. 11; Uspenski V. ?., Predavanja o izračunljivim funkcijama, Moskva, 1960; Kay J. i Laby T., Tabele nac. and chem. trajno, per. s engleskog, 2. izd., M., 1962; Kurosh A. G., Predavanja iz opšte algebre, M., 1962; Svidersky V.I., O dijalektici elemenata i strukture u objektivnom svijetu iu spoznaji, M., 1962, gl. 3; ?ddington A. St., New pathways in science, Camb., 1935; njegova vlastita, Relativna teorija protona i elektrona, L., 1936; njegova vlastita, Filozofija fizičke nauke, N. Y.–Camb., 1939; Louis de Broglie, physicien et penseur, P., ; Mart?., Die physikalische Erkenntnis und ihre Grenzen, 2 Aufl., Braunschweig, 1960.
Vratimo se na proces proizvodnje amonijaka koji je izražen jednadžbom:
N 2 (g) + 3H 2 (g) → 2NH 3 (g)
Budući da su u zatvorenom volumenu, dušik i vodonik se spajaju i formiraju amonijak. Koliko će ovaj proces trajati? Logično je pretpostaviti da sve dok bilo koji od reagensa ne ponestane. Međutim, u stvarnom životu to nije sasvim tačno. Činjenica je da će se neko vrijeme nakon što je reakcija započela, rezultirajući amonijak razgraditi na dušik i vodik, odnosno, počet će obrnuta reakcija:
2NH 3 (g) → N 2 (g) + 3H 2 (g)
U stvari, dvije direktno suprotne reakcije odvijat će se u zatvorenom volumenu odjednom. Stoga se ovaj proces piše na sljedeći način:
N 2 (g) + 3H 2 (g) ↔ 2NH 3 (g)
Dvostruka strelica označava da se reakcija odvija u dva smjera. Reakcija kombinacije dušika i vodika naziva se direktna reakcija. Reakcija razgradnje amonijaka - backlash.
Na samom početku procesa, brzina direktne reakcije je vrlo visoka. Ali s vremenom se koncentracije reagensa smanjuju, a količina amonijaka se povećava - kao rezultat toga, brzina reakcije naprijed opada, a brzina obrnute reakcije raste. Dolazi vrijeme kada se upoređuju brzine direktnih i reverznih reakcija - dolazi do kemijske ravnoteže ili dinamičke ravnoteže. U ravnoteži se javljaju i prednje i reverzne reakcije, ali su njihove stope iste, tako da promjene nisu primjetne.
Konstanta ravnoteže
Različite reakcije se odvijaju na različite načine. U nekim reakcijama nastaje prilično veliki broj reakcijskih produkata prije nastupanja ravnoteže; kod drugih, mnogo manje. Dakle, možemo reći da određena jednačina ima svoju konstantu ravnoteže. Poznavajući konstantu ravnoteže reakcije, moguće je odrediti relativnu količinu reaktanata i produkta reakcije pri kojima dolazi do kemijske ravnoteže.
Neka je neka reakcija opisana jednadžbom: aA + bB = cC + dD
- a, b, c, d - koeficijenti jednačine reakcije;
- A, B, C, D - hemijske formule supstanci.
Konstanta ravnoteže:
[C] c [D] d K = ———————— [A] a [B] b
Uglaste zagrade pokazuju da su molarne koncentracije tvari uključene u formulu.
Šta znači konstanta ravnoteže?
Za sintezu amonijaka na sobnoj temperaturi K=3,5·10 8 . Ovo je prilično velik broj, što ukazuje na to da će doći do kemijske ravnoteže kada je koncentracija amonijaka mnogo veća od preostalih početnih materijala.
U stvarnoj proizvodnji amonijaka zadatak tehnologa je da dobije što veći koeficijent ravnoteže, odnosno da direktna reakcija ide do kraja. Kako se to može postići?
Le Chatelierov princip
Le Chatelierov princip glasi:
Kako to razumjeti? Sve je vrlo jednostavno. Postoje tri načina da narušite ravnotežu:
- promjena koncentracije tvari;
- mijenjanje temperature
- promena pritiska.
Kada je reakcija sinteze amonijaka u ravnoteži, to se može prikazati na sljedeći način (reakcija je egzotermna):
N 2 (g) + 3H 2 (g) → 2NH 3 (g) + Toplota
Promjena koncentracije
U balansirani sistem unosimo dodatnu količinu azota. U ovom slučaju, ravnoteža će biti poremećena:
Reakcija naprijed će početi da se odvija brže jer se povećala količina dušika i više ga reagira. Nakon nekog vremena ponovo će doći do kemijske ravnoteže, ali će koncentracija dušika biti veća od koncentracije vodika:
Ali, moguće je „iskriviti“ sistem na lijevu stranu i na drugi način – „olakšavanjem“ desne strane, na primjer, ukloniti amonijak iz sistema kako se formira. Tako će direktna reakcija stvaranja amonijaka ponovo prevladati.
Promijenite temperaturu
Desnu stranu naše "skale" možemo promijeniti promjenom temperature. Da bi lijeva strana "nadmašila", potrebno je "osvijetliti" desnu stranu - smanjiti temperaturu:
Promijenite pritisak
Narušiti ravnotežu u sistemu uz pomoć pritiska moguće je samo u reakcijama sa gasovima. Postoje dva načina za povećanje pritiska:
- smanjenje volumena sistema;
- uvođenje inertnog gasa.
Kako pritisak raste, broj molekularnih sudara raste. Istovremeno se povećava koncentracija gasova u sistemu i menjaju se brzine prednjih i reverznih reakcija - ravnoteža se narušava. Da bi uspostavio ravnotežu, sistem "pokušava" smanjiti pritisak.
Prilikom sinteze amonijaka iz 4 molekula azota i vodonika nastaju dva molekula amonijaka. Kao rezultat toga, broj molekula plina se smanjuje - tlak opada. Kao posljedica toga, da bi se postigla ravnoteža nakon povećanja pritiska, brzina reakcije naprijed se povećava.
Sažmite. Prema Le Chatelierovom principu, proizvodnja amonijaka može se povećati za:
- povećanje koncentracije reagensa;
- smanjenje koncentracije produkta reakcije;
- smanjenje temperature reakcije;
- povećavajući pritisak pri kojem dolazi do reakcije.
