Betrachten wir eine allgemeine Feedback-Reaktion
Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass im Gleichgewichtszustand folgende Beziehung erfüllt ist:
(eckige Klammern geben die Konzentration an). Das obige Verhältnis ist ein mathematischer Ausdruck des Massenwirkungsgesetzes oder des Gesetzes des chemischen Gleichgewichts, wonach in einem Zustand des chemischen Gleichgewichts bei einer bestimmten Temperatur das Produkt der Konzentrationen von Reaktionsprodukten in Potenzen, Indikatoren, ausgedrückt wird
die gleich den entsprechenden Koeffizienten in der stöchiometrischen Gleichung der Reaktion sind, dividiert durch ein ähnliches Produkt der Konzentrationen der Reaktanten in den entsprechenden Potenzen, ist ein konstanter Wert. Diese Konstante wird Gleichgewichtskonstante genannt. Der Ausdruck der Gleichgewichtskonstante in Form der Konzentrationen von Produkten und Reaktanten ist typisch für Reaktionen in Lösungen.
Beachten Sie, dass die rechte Seite des Ausdrucks für die Gleichgewichtskonstante nur die Konzentrationen gelöster Substanzen enthält. Es sollten keine Begriffe enthalten sein, die sich auf die an der Reaktion beteiligten reinen Feststoffe, reinen Flüssigkeiten und Lösungsmittel beziehen, da diese Begriffe konstant sind.
Bei Reaktionen mit Gasen wird die Gleichgewichtskonstante als Partialdruck der Gase und nicht als deren Konzentration ausgedrückt. In diesem Fall wird die Gleichgewichtskonstante mit dem Symbol bezeichnet.
Die Konzentration eines Gases kann durch seinen Druck mithilfe der idealen Gaszustandsgleichung ausgedrückt werden (siehe Abschnitt 3.1):
Aus dieser Gleichung folgt
Wo ist die Gaskonzentration, die als [Gas] bezeichnet werden kann? Da es sich um einen konstanten Wert handelt, können wir ihn bei einer bestimmten Temperatur schreiben
Lassen Sie uns die Gleichgewichtskonstante für die Reaktion zwischen Wasserstoff und Jod durch die Partialdrücke dieser Gase ausdrücken.
Die Gleichung für diese Reaktion hat die Form
Daher ist die Gleichgewichtskonstante dieser Reaktion gegeben durch
Achten wir darauf, dass die Konzentrationen bzw. Partialdrücke der Produkte, also der auf der rechten Seite der chemischen Gleichung angegebenen Stoffe, immer einen Zähler bilden, und die Konzentrationen bzw. Partialdrücke der Reagenzien, also der Stoffe Die auf der linken Seite der chemischen Gleichung angegebenen Werte bilden immer den Nenner des Ausdrucks für die Gleichgewichtskonstante.
Einheiten für die Gleichgewichtskonstante
Die Gleichgewichtskonstante kann je nach Art ihres mathematischen Ausdrucks eine dimensionale oder dimensionslose Größe sein. Im obigen Beispiel ist die Gleichgewichtskonstante dimensionslos, da Zähler und Nenner des Bruchs die gleichen Dimensionen haben. Ansonsten hat die Gleichgewichtskonstante eine Dimension, die in Konzentrations- oder Druckeinheiten ausgedrückt wird.
Welche Dimension hat die Gleichgewichtskonstante für die folgende Reaktion?
Daher hat es die Dimension (mol-dm-3)
Also die Dimension der betrachteten Gleichgewichtskonstante oder dm3/mol.
Welche Dimension hat die Gleichgewichtskonstante für die folgende Reaktion?
Die Gleichgewichtskonstante dieser Reaktion wird durch den Ausdruck bestimmt
Daher hat es die Dimension
Die Dimension dieser Gleichgewichtskonstante lautet also: atm oder Pa.
Heterogene Gleichgewichte
Bisher haben wir nur Beispiele für homogene Gleichgewichte aufgeführt. Beispielsweise liegen bei der Reaktion der Jodwasserstoffsynthese sowohl das Produkt als auch beide Reaktanten im gasförmigen Zustand vor.
Betrachten Sie als Beispiel für eine Reaktion, die zu einem heterogenen Gleichgewicht führt, die thermische Dissoziation von Calciumcarbonat
Die Gleichgewichtskonstante dieser Reaktion ist gegeben durch
Beachten Sie, dass dieser Ausdruck keine Begriffe enthält, die sich auf die beiden an der Reaktion beteiligten Feststoffe beziehen. Im gezeigten Beispiel ist die Gleichgewichtskonstante der Dissoziationsdruck von Calciumcarbonat. Es zeigt, dass, wenn Calciumcarbonat in einem geschlossenen Gefäß erhitzt wird, sein Dissoziationsdruck bei einer festgelegten Temperatur nicht von der Menge an Calciumcarbonat abhängt. Im nächsten Abschnitt erfahren wir, wie sich die Gleichgewichtskonstante mit der Temperatur ändert. Im betrachteten Beispiel übersteigt der Dissoziationsdruck erst bei einer Temperatur darüber 1 atm. Daher in Ordnung für das Dioxid
konstant (von lat. constans, Gattung n. Constantis – konstant, unverändert), – ein solches Objekt in einer bestimmten Theorie, dessen Bedeutung innerhalb dieser Theorie (oder manchmal einer engeren Betrachtung) immer als gleich angesehen wird. K. sind gegen solche Objekte, deren Werte sich ändern (von selbst oder abhängig von der Wertänderung anderer Objekte). Die Präsenz von K. im Ausdruck vieler. Naturgesetze und Gesellschaft spiegeln Zusammenhänge wider. die Unveränderlichkeit bestimmter Aspekte der Realität, die sich in der Anwesenheit von Mustern manifestiert. Eine wichtige Variante von K. ist K., bezogen auf die Anzahl der physischen. Größen wie Länge, Zeit, Kraft, Masse (z. B. die Ruhemasse eines Elektrons) oder komplexere Größen, die numerisch durch die Verhältnisse zwischen diesen K oder ihren Potenzen ausgedrückt werden, wie z. B. Volumen, Geschwindigkeit, Arbeit, usw. .P. (z. B. die Erdbeschleunigung). Diejenigen von K. dieser Art, To-Roggen, werden in der Moderne berücksichtigt. Physik (im Rahmen ihrer jeweiligen Theorien), die für den gesamten beobachtbaren Teil des Universums relevant ist, genannt. Welt (oder universell) K.; Beispiele für solche Quanten sind die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, die Plancksche Quantenkonstante (d. h. der Wert des sogenannten Wirkungsquantums), die Gravitationskonstante und andere. 20. Jahrhundert Gleichzeitig versuchten einige ausländische Wissenschaftler (der englische Physiker und Astronom A. Eddington, der deutsche Physiker Heisenberg, der österreichische Physiker A. March usw.), ihnen Idealismus zu vermitteln. Deutung. Eddington sah also im System der Welt K. eine der Manifestationen der Selbstgenügsamkeit. die Existenz idealer Mathematik Formen, die die Harmonie der Natur und ihrer Gesetze zum Ausdruck bringen. Tatsächlich spiegeln universelle K. keine imaginäre Selbstgenügsamkeit wider. Sein (außerhalb von Dingen und Erkenntnis) der angegebenen Formen und (meist mathematisch ausgedrückt) die Grundgesetze der objektiven Realität, insbesondere die Gesetze, die mit der Struktur der Materie verbunden sind. tiefe Dialektik. die Bedeutung der Weltquantenmechanik zeigt sich darin, dass einige von ihnen (die Plancksche Quantenkonstante, die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum) eine Art Skala sind, die verschiedene Klassen von Prozessen abgrenzt, die auf grundsätzlich unterschiedliche Weise ablaufen; Gleichzeitig weisen solche K. auf die Anwesenheit eines bestimmten hin. Zusammenhänge zwischen den Phänomenen dieser Klassen. Also die Verbindung zwischen den Gesetzen der Klassik. und relativistische Mechanik (siehe Relativitätstheorie) kann aus der Betrachtung eines solchen Grenzübergangs der Bewegungsgleichungen der relativistischen Mechanik zu den Bewegungsgleichungen der klassischen begründet werden. Mechanik, die mit der Idealisierung verbunden ist, die in der Ablehnung der Idee der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum als endlichem K besteht. und im Verständnis der Lichtgeschwindigkeit als unendlich groß; Mit einer anderen Idealisierung, die darin besteht, das Wirkungsquantum als eine unendlich kleine Größe zu betrachten, gehen die Bewegungsgleichungen der Quantentheorie in die Bewegungsgleichungen der Klassik über. Mechanik usw. Neben diesen wichtigsten K., rein physikalisch bestimmt und in den Formulierungen vieler grundlegender vorkommend. Naturgesetze sind an derselben Stelle weit verbreitet und solche, rein mathematisch definiert, K., als die Zahl 0; 1; ? (das Verhältnis des Umfangs zum Durchmesser); e (Basis des natürlichen Logarithmus); Eulersche Konstante und andere. Nicht weniger häufig verwendet werden auch K., die Ergebnisse bekannter mathematischer Methoden sind. Operationen auf angegebenem K. Aber je schwieriger es ist, das häufig verwendete K. durch einfacher definiertes K. (oder so einfachste K. wie 0 und 1) und bekannte Operationen auszudrücken, desto unabhängiger ist seine Beteiligung an deren Formulierungen Gesetze und Beziehungen, in to-rykh kommt es vor, je öfter ein Besonderes dafür eingeführt wird. Benennung, berechnen oder messen Sie diese so genau wie möglich. Einige der Größen treten sporadisch auf und sind K. nur im Rahmen der Betrachtung eines bestimmten Problems, und sie können sogar von der Wahl der Bedingungen (Parameterwerte) des Problems abhängen und werden nur dann K., wenn diese Bedingungen erfüllt sind sind repariert. Solche K. werden oft mit den Buchstaben C oder K bezeichnet (ohne diese Bezeichnungen ein für alle Mal mit demselben K. zu verknüpfen) oder sie schreiben einfach diesen und jenen Wert = const. A. Kuznetsov, I. Lyakhov. Moskau. In Fällen, in denen Funktionen in der Mathematik oder Logik die Rolle der betrachteten Objekte spielen, werden K. solche genannt, deren Wert nicht von den Werten der Argumente dieser Funktionen abhängt. Beispielsweise ist K. die Differenz x–x als Funktion von x, weil Für alle (numerischen) Werte der Variablen x ist der Wert der Funktion x–x dieselbe Zahl 0. für alle möglichen Werte seines Arguments A hat es (im Rahmen der üblichen, klassischen Algebra der Logik) den gleichen Wert 1 (der durch den damit bedingt identifizierten logischen Wert „wahr“ gekennzeichnet ist). Ein Beispiel für ein komplexeres K. aus der Algebra der Logik ist die Funktion (AB? BA). In manchen Fällen wird eine Funktion, deren Wert konstant ist, mit diesem Wert selbst identifiziert. In diesem Fall erscheint der Wert der Funktion bereits als K. (genauer gesagt als eine Funktion, die ein K. ist). Argumente für diese Funktion können beliebige ausgewählte Literalvariablen sein (z. B. A, B, x, y usw.), weil jedenfalls kommt es nicht auf sie an. In anderen Fällen erfolgt eine solche Identifizierung einer Funktion, die ein Schlüssel ist, nicht mit ihrem Wert, d. h. Unterscheiden Sie zwischen solchen beiden K., von denen das eine eine Variable in seinen Argumenten hat, das andere jedoch nicht. Dies ermöglicht es beispielsweise, eine Funktion als deren Tabelle zu definieren und vereinfacht zudem den Schaltplan. Definition bestimmter Operationen an Funktionen. Neben solchen Konstanten, deren Werte Zahlen (ggf. benannt) sind oder durch Zahlen charakterisiert werden, gibt es auch andere Konstanten. die Menge aller ganzen Zahlen ist nicht negativ. Zahlen. Der Wert der Funktion, der K. ist, kann auch ein Objekt beliebiger Natur sein. Betrachtet man beispielsweise Funktionen einer solchen Variablen A, deren Werte Teilmengen der natürlichen Reihe sind, kann man eine dieser Funktionen bestimmen, deren Wert für alle Werte der Variablen A die Menge aller Primzahlen ist. Zusätzlich zum Physischen Größen und Funktionen in der Rolle solcher Objekte, von denen sich einige als K. herausstellen, betrachten oft (insbesondere in der Logik und Semantik) Zeichen und ihre Kombinationen: Wörter, Sätze, Begriffe, Formeln usw. und als Bedeutung diejenigen von sie, deren Bedeutungen nicht ausdrücklich erwähnt werden, ihre semantischen Bedeutungen (falls vorhanden). Gleichzeitig werden neue K aufgedeckt. Also in der Arithmetik. Ausdruck (Term) 2 + 3–2 K. sind nicht nur die Zahlen 2 und 3 und die Ergebnisse von Operationen auf ihnen, sondern auch die Zeichen + und -, deren Werte die Operationen der Addition und Subtraktion sind. Diese Zeichen sind K. innerhalb des Theoretischen Die Betrachtung der gewöhnlichen Schularithmetik und -algebra hört auf, K. zu sein, wenn wir in den weiteren Bereich der Moderne eintreten. Algebra oder Logik, wobei das +-Zeichen in einigen Fällen die Bedeutung der Operation der gewöhnlichen Addition von Zahlen hat, in anderen Fällen (z. B. in der Algebra der Logik) - Addition Modulo 2 oder Boolesche Addition, in anderen Fällen - eine andere Operation . Bei engeren Überlegungen (z. B. beim Aufbau eines bestimmten algebraischen oder logischen Systems) werden jedoch die Bedeutungen der Vorzeichen von Operationen festgelegt und diese Vorzeichen werden im Gegensatz zu den Vorzeichen von Variablen zu K. Die Auswahl von logisch. Eine besondere Rolle spielt K. bei der Anwendung auf Gegenstände aus der Natur. Sprache. In der Rolle des Logischen K. auf Russisch. Die Sprache umfasst zum Beispiel solche Konjunktionen wie „und“, „oder“ usw., solche Quantifiziererwörter wie „alle“, „irgendein“, „existiert“, „einige“ usw., solche verbindenden Verben wie „ ist“, „Essenz“, „ist“ usw. sowie komplexere Ausdrücke wie „wenn ..., dann“, „wenn und nur wenn“, „es gibt nur einen“, „derjenige, der“ , „so dass“, „entspricht dem“ usw. Durch Hervorhebung logisch. K. in der Natur. Die Sprache ist das Erkennen der Ähnlichkeit ihrer Rolle in einer Vielzahl von Fällen von Schlussfolgerungen oder anderen Argumenten, die es ermöglicht, diese Fälle zu einem bestimmten Schema (logische Regel) zusammenzufassen, in dem Objekte unterschieden werden, die sich von denen unterscheiden durch K. werden durch die entsprechenden Variablen ersetzt. Je kleiner die Zahl der Schemata ist, die alle betrachteten Argumentationsfälle abdecken können, je einfacher diese Schemata selbst sind und je sicherer wir gegen die Möglichkeit fehlerhafter Überlegungen über sie sind, desto gerechtfertigter ist die Wahl der logischen, die auftauchen in diesen Schemata. ZU. A. Kusnezow. Moskau. Zündete.: Eddington?., Raum, Zeit und Schwerkraft, trans. aus Englisch, O., 1923; Jeans, D., Das Universum um uns herum, trans. aus dem Englischen, L.–M., 1932; Geboren M., Mysteriöse Nummer 137, in Sa.: Uspekhi nat. Sciences, Bd. 16, Nr. 6, 1936; Heisenberg W., Philos. 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Kehren wir zum Ammoniakproduktionsprozess zurück, der durch die Gleichung ausgedrückt wird:
N 2 (g) + 3H 2 (g) → 2NH 3 (g)
In einem geschlossenen Volumen verbinden sich Stickstoff und Wasserstoff und bilden Ammoniak. Wie lange wird dieser Prozess dauern? Es ist logisch anzunehmen, dass dies so lange der Fall ist, bis eines der Reagenzien aufgebraucht ist. Im wirklichen Leben trifft dies jedoch nicht ganz zu. Tatsache ist, dass sich das entstehende Ammoniak einige Zeit nach Beginn der Reaktion in Stickstoff und Wasserstoff zersetzt, d. h. die Rückreaktion beginnt:
2NH 3 (g) → N 2 (g) + 3H 2 (g)
Tatsächlich finden in einem geschlossenen Volumen zwei direkt entgegengesetzte Reaktionen gleichzeitig statt. Daher wird dieser Prozess wie folgt geschrieben:
N 2 (g) + 3H 2 (g) ↔ 2NH 3 (g)
Der Doppelpfeil zeigt an, dass die Reaktion in zwei Richtungen verläuft. Man nennt die Reaktion die Verbindung von Stickstoff und Wasserstoff direkte Reaktion. Die Zersetzungsreaktion von Ammoniak - Rückschlag.
Zu Beginn des Prozesses ist die Geschwindigkeit der direkten Reaktion sehr hoch. Mit der Zeit nehmen jedoch die Konzentrationen der Reagenzien ab und die Ammoniakmenge nimmt zu – dadurch nimmt die Geschwindigkeit der Hinreaktion ab und die Geschwindigkeit der Rückreaktion zu. Irgendwann kommt der Zeitpunkt, an dem die Geschwindigkeiten von Direkt- und Rückreaktionen verglichen werden – es stellt sich ein chemisches Gleichgewicht oder ein dynamisches Gleichgewicht ein. Im Gleichgewicht finden sowohl Vorwärts- als auch Rückwärtsreaktionen statt, ihre Geschwindigkeiten sind jedoch gleich, sodass Änderungen nicht wahrnehmbar sind.
Gleichgewichtskonstante
Unterschiedliche Reaktionen verlaufen auf unterschiedliche Weise. Bei einigen Reaktionen wird vor dem Einsetzen des Gleichgewichts eine relativ große Anzahl von Reaktionsprodukten gebildet; in anderen viel weniger. Wir können also sagen, dass eine bestimmte Gleichung ihre eigene Gleichgewichtskonstante hat. Wenn man die Gleichgewichtskonstante der Reaktion kennt, ist es möglich, die relative Menge an Reaktanten und Reaktionsprodukten zu bestimmen, bei der ein chemisches Gleichgewicht auftritt.
Lassen Sie eine Reaktion durch die Gleichung beschreiben: aA + bB = cC + dD
- a, b, c, d – Reaktionsgleichungskoeffizienten;
- A, B, C, D – chemische Stoffformeln.
Gleichgewichtskonstante:
[C] c [D] d K = ———————— [A] a [B] b
Eckige Klammern zeigen an, dass es sich bei der Formel um molare Konzentrationen von Stoffen handelt.
Was bedeutet die Gleichgewichtskonstante?
Für die Synthese von Ammoniak bei Raumtemperatur K=3,5·10 8 . Dies ist eine ziemlich große Zahl, was darauf hindeutet, dass ein chemisches Gleichgewicht eintritt, wenn die Ammoniakkonzentration viel höher ist als die der übrigen Ausgangsmaterialien.
Bei der realen Ammoniakproduktion besteht die Aufgabe des Technologen darin, einen möglichst hohen Gleichgewichtskoeffizienten zu erreichen, d. h. damit die direkte Reaktion zu Ende geht. Wie kann dies erreicht werden?
Das Prinzip von Le Chatelier
Das Prinzip von Le Chatelier lautet:
Wie ist es zu verstehen? Alles ist sehr einfach. Es gibt drei Möglichkeiten, das Gleichgewicht zu durchbrechen:
- Ändern der Konzentration der Substanz;
- die Temperatur ändern
- den Druck verändern.
Wenn die Ammoniaksynthesereaktion im Gleichgewicht ist, kann sie wie folgt dargestellt werden (die Reaktion ist exotherm):
N 2 (g) + 3H 2 (g) → 2NH 3 (g) + Hitze
Konzentration verändern
Wir führen eine zusätzliche Menge Stickstoff in ein ausgeglichenes System ein. In diesem Fall gerät das Gleichgewicht durcheinander:
Die Vorwärtsreaktion wird schneller ablaufen, da die Menge an Stickstoff zugenommen hat und dieser in größerer Menge reagiert. Nach einiger Zeit stellt sich wieder ein chemisches Gleichgewicht ein, allerdings wird die Stickstoffkonzentration größer sein als die Wasserstoffkonzentration:
Es ist aber auch möglich, das System auf andere Weise nach links zu „verzerren“ – beispielsweise durch „Aufhellen“ der rechten Seite, um Ammoniak aus dem System zu entfernen, während es entsteht. Somit wird wieder die direkte Reaktion der Ammoniakbildung überwiegen.
Ändern Sie die Temperatur
Die rechte Seite unserer „Skala“ kann durch Änderung der Temperatur verändert werden. Damit die linke Seite „überwiegt“, ist es notwendig, die rechte Seite „aufzuhellen“ – um die Temperatur zu senken:
Ändern Sie den Druck
Das Gleichgewicht im System mit Hilfe von Druck zu stören, ist nur bei Reaktionen mit Gasen möglich. Es gibt zwei Möglichkeiten, den Druck zu erhöhen:
- eine Verringerung des Volumens des Systems;
- Einleiten eines Inertgases.
Mit zunehmendem Druck nimmt die Zahl der molekularen Kollisionen zu. Gleichzeitig steigt die Konzentration der Gase im System und die Geschwindigkeiten der Hin- und Rückreaktionen ändern sich – das Gleichgewicht wird gestört. Um das Gleichgewicht wiederherzustellen, „versucht“ das System, den Druck zu reduzieren.
Bei der Synthese von Ammoniak aus 4 Molekülen Stickstoff und Wasserstoff entstehen zwei Moleküle Ammoniak. Dadurch nimmt die Zahl der Gasmoleküle ab – der Druck sinkt. Um nach einem Druckanstieg ein Gleichgewicht zu erreichen, erhöht sich daher die Geschwindigkeit der Vorwärtsreaktion.
Zusammenfassen. Nach dem Prinzip von Le Chatelier kann die Ammoniakproduktion gesteigert werden durch:
- Erhöhung der Konzentration der Reagenzien;
- Verringerung der Konzentration der Reaktionsprodukte;
- Senken der Reaktionstemperatur;
- Erhöhung des Drucks, bei dem die Reaktion stattfindet.
