Vaatleme üldist pöördreaktsiooni
Eksperimentaalsed uuringud näitavad, et tasakaaluseisundis kehtib järgmine seos:
(nurksulud näitavad kontsentratsiooni). Ülaltoodud seos on massimõju seaduse ehk keemilise tasakaalu seaduse matemaatiline väljend, mille kohaselt keemilise tasakaalu seisundis teatud temperatuuril saadakse reaktsioonisaaduste kontsentratsioonide korrutis astmetes, eksponentides.
mis on võrdsed stöhhiomeetrilise reaktsioonivõrrandi vastavate koefitsientidega, jagatuna vastavates astmetes olevate reagentide kontsentratsioonide sarnase korrutisega, tähistab konstantset väärtust. Seda konstanti nimetatakse tasakaalukonstandiks. Tasakaalukostandi väljendamine saaduste ja reaktiivide kontsentratsioonides on tüüpiline lahustes toimuvatele reaktsioonidele.
Pange tähele, et tasakaalukonstandi avaldise parem pool sisaldab ainult lahustunud ainete kontsentratsioone. See ei tohiks sisaldada ühtegi terminit, mis on seotud reaktsioonis osalevate puhaste tahkete ainete, puhaste vedelike või lahustitega, kuna need terminid on konstantsed.
Gaase sisaldavate reaktsioonide puhul väljendatakse tasakaalukonstanti gaaside osarõhkude, mitte nende kontsentratsioonide kaudu. Sel juhul on tasakaalukonstant tähistatud sümboliga.
Gaasi kontsentratsiooni saab väljendada selle rõhuna, kasutades ideaalse gaasi olekuvõrrandit (vt punkt 3.1):
Sellest võrrandist järeldub
kus on gaasi kontsentratsioon, mida võib tähistada kui [gaas]. Kuna - on konstantne väärtus, saame selle kirjutada antud temperatuuril
Avaldagem vesiniku ja joodi vahelise reaktsiooni tasakaalukonstant nende gaaside osarõhkude kaudu.
Selle reaktsiooni võrrandil on vorm
Seetõttu on selle reaktsiooni tasakaalukonstant antud
Pangem tähele, et toodete, st keemilise võrrandi paremal pool näidatud ainete kontsentratsioonid või osarõhud moodustavad alati lugeja ning reagentide, st ainete kontsentratsioonid või osarõhud on näidatud kemikaali vasakul küljel. võrrand, moodustavad alati tasakaalukonstandi avaldise nimetaja.
Mõõtühikud tasakaalukonstandi jaoks
Tasakaalukonstant võib olenevalt selle matemaatilise avaldise tüübist olla mõõtmeteta või mõõtmeteta suurus. Ülaltoodud näites on tasakaalukonstant mõõtmeteta suurus, kuna murdosa lugejal ja nimetajal on samad mõõtmed. Vastasel juhul on tasakaalukonstandi mõõde väljendatud kontsentratsiooni või rõhu ühikutes.
Mis on järgmise reaktsiooni tasakaalukonstandi mõõde?
Seetõttu on sellel mõõde (mol-dm-3)
Seega on vaadeldava tasakaalukonstandi mõõde või dm3/mol.
Mis on järgmise reaktsiooni tasakaalukonstandi mõõde?
Selle reaktsiooni tasakaalukonstant määratakse avaldisega
Seetõttu on sellel mõõde
Seega on selle tasakaalukonstandi mõõde: atm või Pa.
Heterogeensed tasakaalud
Seni oleme toonud näiteid ainult homogeensete tasakaalude kohta. Näiteks vesinikjodiidi sünteesireaktsioonis on nii saadus kui ka mõlemad reagendid gaasilises olekus.
Näitena heterogeense tasakaaluni viivast reaktsioonist kaaluge kaltsiumkarbonaadi termilist dissotsiatsiooni
Selle reaktsiooni tasakaalukonstant on antud
Pange tähele, et see väljend ei sisalda termineid, mis on seotud kahe reaktsioonis osaleva tahke ainega. Toodud näites esindab tasakaalukonstant kaltsiumkarbonaadi dissotsiatsioonirõhku. See näitab, et kui kaltsiumkarbonaati kuumutada suletud anumas, siis selle dissotsiatsioonirõhk kindlal temperatuuril ei sõltu kaltsiumkarbonaadi kogusest. Järgmises osas saame teada, kuidas tasakaalukonstant muutub koos temperatuuriga. Vaadeldavas näites ületab dissotsiatsioonirõhk 1 atm ainult kõrgemal temperatuuril, mistõttu selleks, et dioksiid
konstant (ladina keelest constans, gen. konstantis - konstantne, muutumatu) - üks teatud teooria objektidest, mille tähendust selle teooria (või mõnikord ka kitsama käsitluse) raames peetakse alati samaks. K. vastandatakse sellistele objektidele, mille tähendused muutuvad (iseenesest või sõltuvalt teiste objektide tähenduste muutumisest). K. olemasolu mitmuse väljendamisel. peegeldab loodus- ja ühiskonnaseadusi. reaalsuse teatud aspektide muutumatus, mis avaldub mustrite olemasolus. K. oluline sort on K., mis liigitatakse füüsiliseks. suurused, nagu pikkus, aeg, jõud, mass (näiteks elektroni puhkemass) või keerukamad suurused, mis on arvuliselt väljendatavad nende suuruste või nende võimsuste vaheliste suhete kaudu, nagu maht, kiirus, töö jne. .P. (nt gravitatsiooni kiirendus Maa pinnal). Need K. sedalaadi, mida peetakse kaasajal. füüsika (sellele vastavate teooriate raames), mis on olulised kogu Universumi vaadeldava osa jaoks, nn. maailm (või universaalne) K.; Sellised kvantparameetrid on näiteks valguse kiirus vaakumis, Plancki kvantkonstant (st nn toimekvanti väärtus), gravitatsioonikonstant jne. Teadus juhtis tähelepanu maailma kvantkonstantide suurele tähtsusele. 20–30. 20. sajandil Samal ajal püüdsid teatud välismaa teadlased (inglise füüsik ja astronoom A. Eddington, saksa füüsik Heisenberg, Austria füüsik A. March jt) anda neile idealistlikku lähenemist. tõlgendus. Seega nägi Eddington maailmakosmose süsteemis üht iseseisvuse ilmingut. ideaalse matemaatika olemasolu looduse ja selle seaduste harmooniat väljendavad vormid. Tegelikult ei peegelda universaalsed K. kujuteldavat mina. näidatud vormide olemasolu (väljaspool asju ja teadmisi) ja (tavaliselt matemaatiliselt väljendatuna) objektiivse reaalsuse põhiseadused, eelkõige mateeria struktuuriga seotud seadused. Sügav dialektika. Maailma printsiipide tähendus avaldub selles, et osa neist (Plancki kvantkonstant, valguse kiirus vaakumis) on omamoodi skaalad, mis piiritlevad erinevaid põhimõtteliselt erineval viisil kulgevaid protsesside klasse; samas viitavad sellised K. definitsiooni olemasolule. seosed nende klasside nähtuste vahel. Seega seos klassika seaduste vahel ja relativistliku mehaanika (vt Relatiivsusteooria) saab kindlaks teha, võttes arvesse relativistliku mehaanika liikumisvõrrandite sellist piiravat üleminekut klassikaliste liikumisvõrranditesse. mehaanika, mis on seotud idealiseerimisega, mis seisneb valguse kiiruse tühjuses kui lõpliku K-st loobumises. ja valguse kiiruse mõistmisel lõpmatult suurena; teise idealiseerimisega, mis seisneb tegevuskvanti käsitlemises lõpmata väikese suurusena, muunduvad kvantteooria liikumisvõrrandid klassikalise teooria liikumisvõrranditeks. mehaanika jne. Lisaks neile kõige olulisematele puhtfüüsiliselt määratletud K.-dele, mis esinevad paljude põhiprintsiipide sõnastustes. loodusseadused, puhtmatemaatiliselt määratletud, K. kui arvud 0 on seal laialt kasutusel; 1; ? (ümbermõõdu ja läbimõõdu suhe); e (naturaallogaritmide alus); Vähem sagedamini kasutatakse ka Euleri konstanti jne K., mis on tuntud matemaatiliste uuringute tulemused. Kuid mida keerulisem on sageli kasutatavat kompleksi väljendada lihtsamalt määratletud komplekside (või lihtsaimate komplekside, näiteks 0 ja 1) ja tuntud tehtetega, seda sõltumatum on tema osalemine nende seaduste ja seaduste sõnastamises. suhted, mida sagedamini see esineb, seda sagedamini võetakse selle jaoks kasutusele spetsiaalsed ravimid. määramine, arvutamine või mõõtmine võimalikult täpselt. Mõned suurused esinevad aeg-ajalt ja on Q. ainult teatud probleemi käsitlemise raames ning võivad sõltuda isegi ülesande tingimuste (parameetrite väärtuste) valikust, muutudes Q.-ks alles siis, kui need tingimused on fikseeritud. Selliseid suurusi tähistatakse sageli tähtedega C või K (ilma neid nimetusi lõplikult sama kogusega seostamata) või kirjutatakse lihtsalt, et selline ja selline suurus = konst. A. Kuznetsov, I. Ljahhov. Moskva. Juhtudel, kui matemaatikas või loogikas mängivad vaadeldavate objektide rolli funktsioonid, nimetatakse neid, mille väärtus ei sõltu nende funktsioonide argumentide väärtustest. Näiteks K. on erinevus x–x funktsioonina x, sest muutuja x kõigi (arvuliste) väärtuste puhul on funktsiooni x–x väärtus sama arv 0. Loogilise algebra funktsiooni näide, mis on K., on A/A (seda peetakse funktsiooniks "muutuv väide" A), kuna oma argumendi A kõigi võimalike väärtuste jaoks on sellel (tavalise, klassikalise loogikaalgebra raames) sama väärtus 1 (mida iseloomustab sellega tavapäraselt samastatud loogiline väärtus "tõde"). Keerulisema funktsiooni näide loogika algebrast on funktsioon (AB?BA). Mõnel juhul identifitseeritakse funktsioon, mille väärtus on konstantne, selle väärtuse endaga. Sel juhul kuvatakse funktsiooni väärtus K.-na (täpsemalt funktsioonina, mis on K.). Mis tahes valitud tähemuutujaid (näiteks A, B, x, y jne) võib pidada selle funktsiooni argumentideks, kuna nagunii ta neist ei sõltu. Muudel juhtudel ei tehta K.-ks oleva funktsiooni sellist tuvastamist selle tähendusega, s.t. eristada kahte argumenti, millest ühel on argumentide hulgas muutuja, teisel aga mitte. See võimaldab näiteks funktsiooni defineerida selle tabelina ja lihtsustab ka skeemi. funktsioonide teatud toimingute määratlemine. Selliste koodide kõrval, mille väärtused on numbrid (võib-olla nimelised) või mida iseloomustavad numbrid, on ka teisi koode, näiteks hulgateoorias on oluliseks koodiks naturaalrida N, s.o. kõigi mittenegatiivsete täisarvude hulk. numbrid. Funktsiooni väärtus, milleks on K., võib samuti olla mis tahes laadi objekt. Näiteks võttes arvesse sellise muutuja A funktsioone, mille väärtused on naturaalrea alamhulgad, saab määrata ühe neist funktsioonidest, mille väärtus muutuja A kõigi väärtuste jaoks on kõigi algarvude hulk. Lisaks füüsilisele suuruste ja funktsioonide rollis selliste objektide rollis, millest osa osutuvad sümboliks, peavad nad sageli (eriti loogikas ja semantikas) märke ja nende kombinatsioone: sõnu, lauseid, termineid, valemeid jne ning nende tähenduses need, kelle tähendusi eriti ei käsitleta, nende semantilised tähendused (kui neid on). Samal ajal ilmuvad uued K-d, nii et aritmeetikas. Avaldis (termin) 2+3–2 K ei sisalda ainult arve 2 ja 3 ning nendega tehte tulemusi, vaid ka märke + ja –, mille tähendusteks on liitmise ja lahutamise tehted. Need märgid, olles K. teoreetilise raames tavakooli aritmeetika ja algebra kaalutlused lakkavad olemast K., kui siseneme kaasaegse teaduse laiemasse valdkonda. algebra või loogika, kus + märgil on mõnel juhul tavalise arvude liitmise tehte tähendus, teistel juhtudel (näiteks loogika algebras) - liitmine moodul 2 või Boole'i liitmine, muudel juhtudel - muu tehte . Kitsamatel kaalutlustel (näiteks konkreetse algebralise või loogilise süsteemi konstrueerimisel) aga fikseeritakse tehtemärkide tähendused ja need märgid, erinevalt muutujate märkidest, muutuvad K. Loogika eraldamine. K. mängib erilist rolli, kui seda rakendatakse loodusobjektidele. keel. Loogika rollis K. vene keeles keel, näiteks sellised sidesõnad nagu "ja", "või" jne, sellised kvantorsõnad nagu "kõik", "kõik", "olemas", "mõned" jne, sellised siduvad verbid, nagu "on" ”, “olemus”, “on” jne, aga ka sellised keerulisemad fraasid nagu “kui..., siis”, “kui ja ainult siis”, “on ainult üks”, “see, mis” , “selline see”, “sellega samaväärne” jne Loogilise esiletõstmise abil. K. loomulikus Keel on nende rolli samasuse äratundmine paljudel järelduste või muude arutluskäikudel, mis võimaldab ühendada need juhtumid üheks või teiseks ühtseks skeemiks (loogiliseks reegliks), milles objektid erinevad objektide poolt tuvastatud objektidest. põhimõtted asendatakse vastavate muutujatega. Mida väiksem on skeemide arv, mis suudab hõlmata kõiki vaadeldavaid arutlusjuhtumeid, seda lihtsamad on need skeemid ise ja mida rohkem on meile tagatud nende põhjal eksliku arutlemise võimalus, seda põhjendatum on ilmnevate loogiliste loogikate valik. nendes skeemides. TO. A. Kuznetsov. Moskva. Lit.: Eddington?., Ruum, aeg ja gravitatsioon, tlk. inglise keelest, O., 1923; Jeans D., Universum meie ümber, tlk. inglise keelest, Leningrad–M., 1932; Sündis M., salapärane number 137, ajakirjas: Edusammud füüsikas. Teadused, kd 16, nr. 6, 1936; Heisenberg W., Philos. aatomifüüsika probleemid, M., 1953; tema, Plancki avastus ja põhialused. Filosoof aatomiõpetuse küsimused, "Filosoofia probleemid", 1958, nr 11; tema, Füüsika ja filosoofia, M., 1963; laup. Art. matemaatikas loogika ja selle rakendused teatud küberneetika küsimustes, raamatus: Tr. matemaatika. Instituut, t. 51, M., 1958; Kuznetsov I.V., Mis on Werner Heisenbergil õige ja mis vale, “Filosoofia küsimused”, 1958, nr 11; Uspensky V.?., Loengud arvutusfunktsioonidest, M., 1960; Kaye, J. ja Laby, T., Phys. Tables. ja keemia. püsiv, trans. inglise keelest, 2. väljaanne, M., 1962; Kurosh A. G., Loengud üldalgebrast, M., 1962; Svidersky V.I., Elementide ja struktuuri dialektikast objektiivses maailmas ja teadmistes, M., 1962, ptk. 3; ?ddington A. St., New pathways in science, Camb., 1935; tema, Prootonite ja elektronide relatiivsusteooria, L., 1936; tema poolt „Füüsikateaduse filosoofia”, N. Y.–Camb., 1939; Louis de Broglie, physicien et penseur, P., ; märts?., Die physikalische Erkenntnis und ihre Grenzen, 2 Aufl., Braunschweig, 1960.
Pöördume tagasi ammoniaagi tootmisprotsessi juurde, mida väljendab võrrand:
N2 (g) + 3H2 (g) → 2NH3 (g)
Olles suletud mahus, ühinevad lämmastik ja vesinik ning moodustavad ammoniaagi. Kui kaua see protsess kestab? Loogiline on eeldada, et kuni mõni reaktiiv otsa saab. Päriselus see aga päris tõsi pole. Fakt on see, et mõni aeg pärast reaktsiooni algust hakkab tekkiv ammoniaak lagunema lämmastikuks ja vesinikuks, st algab pöördreaktsioon:
2NH3 (g) → N2 (g) + 3H2 (g)
Tegelikult toimub suletud mahus kaks reaktsiooni, mis on otse üksteise vastas. Seetõttu on see protsess kirjutatud järgmise võrrandiga:
N 2 (g) + 3H 2 (g) ↔ 2NH3 (g)
Topeltnool näitab, et reaktsioon toimub kahes suunas. Lämmastiku ja vesiniku ühinemise reaktsiooni nimetatakse otsene reaktsioon. Ammoniaagi lagunemisreaktsioon - tagasilöök.
Protsessi alguses on otsereaktsiooni kiirus väga kõrge. Kuid aja jooksul reaktiivide kontsentratsioon väheneb ja ammoniaagi kogus suureneb - selle tulemusena väheneb edasisuunalise reaktsiooni kiirus ja pöördreaktsiooni kiirus suureneb. Saabub aeg, mil võrreldakse päri- ja vastupidiste reaktsioonide kiirust – tekib keemiline tasakaal ehk dünaamiline tasakaal. Tasakaalus toimuvad nii päri- kui ka vastupidised reaktsioonid, kuid nende kiirus on sama, mistõttu muutusi pole märgata.
Tasakaalukonstant
Erinevad reaktsioonid kulgevad erineval viisil. Mõnes reaktsioonis moodustub enne tasakaalu saavutamist küllaltki palju reaktsiooniprodukte; teistes - palju vähem. Seega võime öelda, et konkreetsel võrrandil on oma tasakaalukonstant. Teades reaktsiooni tasakaalukonstanti, on võimalik määrata reageerivate ainete ja reaktsioonisaaduste suhtelised kogused, mille juures keemiline tasakaal tekib.
Mõnda reaktsiooni kirjeldatakse võrrandiga: aA + bB = cC + dD
- a, b, c, d - reaktsioonivõrrandi koefitsiendid;
- A, B, C, D - ainete keemilised valemid.
Tasakaalukonstant:
[C] c [D] d K = ———————— [A] a [B] b
Ruudusulud näitavad, et valem hõlmab ainete molaarseid kontsentratsioone.
Mida ütleb tasakaalukonstant?
Ammoniaagi sünteesiks toatemperatuuril K = 3,5·10 8. See on üsna suur arv, mis näitab, et keemiline tasakaal saabub siis, kui ammoniaagi kontsentratsioon on palju suurem kui ülejäänud lähteainetes.
Tegelikus ammoniaagitootmises on tehnoloogi ülesanne saavutada võimalikult kõrge tasakaalukoefitsient, st et otsereaktsioon kulgeks lõpuni. Kuidas seda saavutada?
Le Chatelier’ põhimõte
Le Chatelier’ põhimõte loeb:
Kuidas sellest aru saada? Kõik on väga lihtne. Tasakaalu rikkumiseks on kolm võimalust:
- aine kontsentratsiooni muutmine;
- temperatuuri muutmine;
- rõhu muutmine.
Kui ammoniaagi sünteesi reaktsioon on tasakaalus, võib seda kujutada järgmiselt (reaktsioon on eksotermiline):
N2 (g) + 3H2 (g) → 2NH3 (g) + Kuumutus
Kontsentratsiooni muutmine
Viime tasakaalustatud süsteemi täiendavalt lämmastikku. See rikub tasakaalu:
Edasine reaktsioon hakkab kulgema kiiremini, kuna lämmastiku hulk on suurenenud ja rohkem sellest reageerib. Mõne aja pärast tekib uuesti keemiline tasakaal, kuid lämmastiku kontsentratsioon on suurem kui vesiniku kontsentratsioon:
Kuid süsteemi on võimalik vasakule küljele “kallutada” ka muul viisil - paremat poolt “kergemaks muutes”, näiteks eemaldades süsteemist tekkiva ammoniaagi. Seega domineerib taas ammoniaagi moodustumise otsene reaktsioon.
Temperatuuri muutmine
Meie “kaalude” paremat külge saab muuta temperatuuri muutes. Selleks, et vasak külg "üle kaaluks", on vaja paremat külge "kergendada" - vähendada temperatuuri:
Rõhu muutmine
Tasakaalu on võimalik rikkuda süsteemis, mis kasutab rõhku ainult reaktsioonides gaasidega. Surve suurendamiseks on kaks võimalust:
- süsteemi mahu vähendamine;
- inertgaasi sisseviimine.
Rõhu tõustes suureneb molekulaarsete kokkupõrgete arv. Samal ajal suureneb gaaside kontsentratsioon süsteemis ning muutub edasi- ja tagurpidi reaktsioonide kiirus - tasakaal on häiritud. Tasakaalu taastamiseks proovib süsteem rõhku alandada.
Ammoniaagi sünteesi käigus moodustub 4 lämmastiku ja vesiniku molekulist kaks ammoniaagi molekuli. Selle tulemusena väheneb gaasimolekulide arv - rõhk langeb. Selle tulemusena suureneb edasisuunalise reaktsiooni kiirus, et saavutada tasakaal pärast rõhu suurenemist.
Tehke kokkuvõte. Le Chatelier’ põhimõtte kohaselt saab ammoniaagi tootmist suurendada:
- reaktiivide kontsentratsiooni suurendamine;
- reaktsiooniproduktide kontsentratsiooni vähendamine;
- reaktsiooni temperatuuri vähendamine;
- suurendades rõhku, mille juures reaktsioon toimub.
