تغییر در تعادل شیمیایی اصل لو شاتلیه

اجازه دهید واکنش معکوس کلی را در نظر بگیریم

مطالعات تجربی نشان می دهد که در حالت تعادل رابطه زیر برقرار است:

(براکت های مربع نشان دهنده غلظت هستند). رابطه فوق بیان ریاضی قانون عمل جرم یا قانون تعادل شیمیایی است که بر اساس آن، در حالت تعادل شیمیایی در دمای معین، حاصل ضرب غلظت محصولات واکنش در توان ها، توان ها

که برابر با ضرایب متناظر در معادله واکنش استوکیومتری، تقسیم بر حاصلضرب مشابه غلظت واکنش دهنده ها در توان های مربوطه، نشان دهنده یک مقدار ثابت است. این ثابت را ثابت تعادل می نامند. بیان ثابت تعادل بر حسب غلظت محصولات و معرف ها برای واکنش های موجود در محلول ها معمول است.

توجه داشته باشید که سمت راست عبارت ثابت تعادل فقط شامل غلظت املاح است. نباید شامل هیچ عبارت مربوط به جامدات خالص، مایعات خالص یا حلال های شرکت کننده در واکنش باشد، زیرا این عبارات ثابت هستند.

برای واکنش های شامل گازها، ثابت تعادل بر حسب فشار جزئی گازها بیان می شود و نه بر حسب غلظت آنها. در این حالت، ثابت تعادل با نماد نشان داده می شود.

غلظت گاز را می توان بر حسب فشار آن با استفاده از معادله حالت گاز ایده آل بیان کرد (به بخش 3.1 مراجعه کنید):

از این معادله به دست می آید

غلظت گاز کجاست که می توان آن را [گاز] نشان داد. از آنجایی که - یک مقدار ثابت است، می توانیم آن را در یک دمای معین بنویسیم

اجازه دهید ثابت تعادل واکنش بین هیدروژن و ید را بر حسب فشار جزئی این گازها بیان کنیم.

معادله این واکنش دارای شکل است

بنابراین، ثابت تعادل این واکنش توسط

توجه داشته باشیم که غلظت یا فشار جزئی فرآورده ها، یعنی موادی که در سمت راست معادله شیمیایی نشان داده شده اند، همیشه شمارنده را تشکیل می دهند و غلظت یا فشار جزئی واکنش دهنده ها، یعنی مواد نشان داده شده در سمت چپ ماده شیمیایی. معادله، همیشه مخرج عبارت ثابت تعادل را تشکیل می دهند.

واحدهای اندازه گیری ثابت تعادل

ثابت تعادل بسته به نوع بیان ریاضی آن می تواند یک کمیت بعدی یا بدون بعد باشد. در مثال بالا، ثابت تعادل یک کمیت بدون بعد است زیرا صورت و مخرج کسر دارای ابعاد یکسانی هستند. در غیر این صورت، ثابت تعادل دارای ابعادی است که بر حسب واحد غلظت یا فشار بیان می شود.

بعد ثابت تعادل برای واکنش زیر چقدر است؟

بنابراین دارای ابعاد (mol-dm-3) است.

بنابراین، بعد ثابت تعادل مورد نظر یا dm3/mol است.

بعد ثابت تعادل برای واکنش زیر چقدر است؟

ثابت تعادل این واکنش با بیان تعیین می شود

بنابراین دارای بعد است

بنابراین، بعد این ثابت تعادل است: atm یا Pa.

تعادل های ناهمگن

تا اینجا فقط مثال هایی از تعادل های همگن آورده ایم. به عنوان مثال، در واکنش سنتز یدید هیدروژن، هم محصول و هم هر دو واکنش دهنده در حالت گاز هستند.

به عنوان نمونه ای از واکنش منجر به تعادل ناهمگن، تفکیک حرارتی کربنات کلسیم را در نظر بگیرید.

ثابت تعادل این واکنش توسط

توجه داشته باشید که این عبارت شامل هیچ عبارت مربوط به دو جامد درگیر در واکنش نمی شود. در مثال داده شده، ثابت تعادل نشان دهنده فشار تفکیک کربنات کلسیم است. نشان می دهد که اگر کربنات کلسیم در یک ظرف بسته گرم شود، فشار تفکیک آن در دمای ثابت به مقدار کربنات کلسیم بستگی ندارد. در بخش بعدی یاد خواهیم گرفت که چگونه ثابت تعادل با دما تغییر می کند. در مثال مورد بررسی، فشار تفکیک تنها در دمای بالاتر از 1 atm تجاوز می کند.بنابراین، برای دی اکسید

ثابت (از لاتین constans، gen. konstantis - ثابت، غیرقابل تغییر) - یکی از اشیاء در یک نظریه خاص، که معنای آن در چارچوب این نظریه (یا گاهی اوقات، ملاحظات محدودتر) همیشه یکسان در نظر گرفته می شود. ک. در مقابل چنین اشیایی قرار می گیرند که معانی آنها (به خودی خود یا بسته به تغییر در معانی اشیاء دیگر) تغییر می کند. وجود K. هنگام بیان جمع. منعکس کننده قوانین طبیعت و جامعه است. تغییر ناپذیری جنبه های خاصی از واقعیت که در حضور الگوها آشکار می شود. گونه مهم K. K. است که به عنوان فیزیکی طبقه بندی می شود. کمیت‌هایی مانند طول، زمان، نیرو، جرم (مثلاً جرم بقیه الکترون) یا کمیت‌های پیچیده‌تر که از نظر عددی از طریق روابط بین این کمیت‌ها یا قدرت‌های آنها، مانند حجم، سرعت، کار و غیره قابل بیان هستند. .پ. (به عنوان مثال، شتاب گرانش در سطح زمین). آنهایی که از ک. از این دست که در دوران معاصر به حساب می آیند. فیزیک (در چارچوب نظریات متناظر آن) که برای کل بخش قابل مشاهده کیهان مهم است، نامیده می شود. جهانی (یا جهانی) K.; نمونه هایی از این پارامترهای کوانتومی عبارتند از: سرعت نور در خلاء، ثابت کوانتومی پلانک (یعنی مقدار به اصطلاح کوانتوم عمل)، ثابت گرانشی و غیره. علم توجه را به اهمیت زیاد ثابت های کوانتومی جهان در 20-30. قرن بیستم در همان زمان، برخی از دانشمندان خارجی (فیزیکدان و ستاره شناس انگلیسی A. Eddington، فیزیکدان آلمانی هایزنبرگ، فیزیکدان اتریشی A. March، و غیره) سعی کردند رویکردی آرمانگرایانه به آنها ارائه دهند. تفسیر بنابراین ادینگتون یکی از مظاهر استقلال را در نظام کیهان جهانی دید. وجود ریاضی ایده آل اشکال بیانگر هماهنگی طبیعت و قوانین آن. در واقع، K. جهانی منعکس کننده یک خود خیالی نیست. وجود (خارج از اشیاء و دانش) اشکال مشخص شده، و (معمولاً به صورت ریاضی بیان می شود) قوانین اساسی واقعیت عینی، به ویژه قوانین مرتبط با ساختار ماده. دیالکتیکی عمیق معنای اصول جهان در این واقعیت آشکار می شود که برخی از آنها (ثابت کوانتومی پلانک، سرعت نور در خلاء) نوعی مقیاس هستند که طبقات مختلفی از فرآیندها را مشخص می کنند که به روش های اساسی متفاوت پیش می روند. در عین حال، چنین K. وجود یک تعریف را نشان می دهد. ارتباط بین پدیده های این طبقات. بنابراین، ارتباط بین قوانین کلاسیک و مکانیک نسبیتی (به نظریه نسبیت مراجعه کنید) را می توان با در نظر گرفتن چنین انتقال محدود کننده ای از معادلات حرکت مکانیک نسبیتی به معادلات حرکت کلاسیک ایجاد کرد. مکانیک، که با ایده آل سازی همراه است، که شامل کنار گذاشتن ایده سرعت نور در پوچی به عنوان یک K محدود است. و در درک سرعت نور به عنوان بی نهایت بزرگ; با ایده آل سازی دیگری که شامل در نظر گرفتن کوانتوم عمل به عنوان یک کمیت بی نهایت کوچک است، معادلات حرکت نظریه کوانتومی به معادلات حرکت نظریه کلاسیک تبدیل می شوند. مکانیک و غیره علاوه بر این مهم ترین K.، کاملاً فیزیکی تعریف شده و در فرمول بندی بسیاری از اصول اساسی ظاهر می شود. قوانین طبیعت، آنهایی که صرفاً به صورت ریاضی تعریف می شوند، K.، به عنوان اعداد 0، به طور گسترده در آنجا استفاده می شود. 1 ? (نسبت محیط به قطر)؛ e (پایه لگاریتم های طبیعی)؛ ثابت اویلر و غیره K. کمتر مورد استفاده قرار می گیرند که نتایج مطالعات ریاضی شناخته شده است. عملیات روی کمپلکس های مشخص شده اما هر چه بیان یک کمپلکس پرکاربرد از طریق کمپلکس های تعریف شده ساده تر (یا ساده ترین مجتمع ها مانند 0 و 1) و عملیات شناخته شده دشوارتر باشد، مشارکت آن در فرمول بندی آن قوانین و قوانین مستقل تر است. روابط در مکرر رخ می دهد، بیشتر داروهای خاص برای آن معرفی می شود. تعیین، محاسبه یا اندازه گیری آن تا حد امکان دقیق است. برخی از کمیت ها گهگاه رخ می دهند و فقط در چارچوب بررسی یک مشکل خاص Q هستند و حتی می توانند به انتخاب شرایط (مقادیر پارامتر) مسئله بستگی داشته باشند و تنها زمانی که این شرایط ثابت شوند به Q تبدیل می شوند. چنین کمیت‌هایی اغلب با حروف C یا K نشان داده می‌شوند (بدون اینکه یک بار برای همیشه این نام‌ها را با یک کمیت مرتبط کنیم) یا به سادگی بنویسیم که فلان کمیت = const. A. Kuznetsov، I. Lyakhov. مسکو. در مواردی که در ریاضیات یا منطق، نقش اشیاء مورد بررسی توسط توابع ایفا می شود، به آنهایی گفته می شود که مقدار آنها به مقادیر آرگومان های این توابع بستگی ندارد. برای مثال، K. تفاوت x–x به عنوان تابعی از x است، زیرا برای همه مقادیر (عددی) متغیر x، مقدار تابع x–x همان عدد 0 است. مثالی از یک تابع جبر منطقی که یک K است A/A است (به عنوان تابعی از "گزاره متغیر" A)، از آنجا که برای همه مقادیر ممکن آرگومان A (در چارچوب جبر معمولی و کلاسیک منطق) همان مقدار 1 را دارد (که با مقدار منطقی "حقیقت" که به طور متعارف با آن مشخص می شود مشخص می شود). نمونه ای از تابع پیچیده تر از جبر منطق تابع (AB?BA) است. در برخی موارد، تابعی که مقدار آن ثابت است با خود این مقدار مشخص می شود. در این حالت، مقدار تابع به صورت K ظاهر می شود (به طور دقیق تر، به عنوان تابعی که یک K است). هر متغیر حرفی انتخاب شده (به عنوان مثال، A، B، x، y، و غیره) می تواند به عنوان آرگومان این تابع در نظر گرفته شود، زیرا او به هر حال به آنها وابسته نیست. در موارد دیگر، چنین شناسایی تابعی که یک K است با معنای آن انجام نمی شود، یعنی. بین دو آرگومان تمایز قائل شوید که یکی از آنها متغیری در بین آرگومان های خود دارد که دیگری ندارد. به عنوان مثال، این اجازه می دهد تا یک تابع را به عنوان جدول آن تعریف کنیم، و همچنین شماتیک را ساده می کند. تعریف عملیات معین روی توابع در کنار چنین کدهایی که مقادیر آنها اعداد (شاید نامگذاری شده) هستند یا با اعداد مشخص می شوند، کدهای دیگری نیز وجود دارند، به عنوان مثال، در نظریه مجموعه ها، یک کد مهم سری طبیعی N است. مجموعه همه اعداد صحیح غیر منفی شماره. مقدار یک تابع که یک K است نیز می تواند یک شی با هر ماهیت باشد. به عنوان مثال، با در نظر گرفتن توابع چنین متغیر A که مقادیر آن زیرمجموعه های سری طبیعی هستند، می توان یکی از این توابع را تعیین کرد که مقدار آن برای همه مقادیر متغیر A، مجموعه همه اعداد اول خواهد بود. علاوه بر فیزیکی کمیت ها و توابع در نقش این گونه اشیاء، که برخی از آنها نماد هستند، اغلب (به ویژه در منطق و معناشناسی) نشانه ها و ترکیبات آنها را در نظر می گیرند: کلمات، جملات، اصطلاحات، فرمول ها و غیره و به معنای آن ها معانی معنایی آنها (در صورت وجود). در همان زمان، K های جدید آشکار می شوند، بنابراین، در حساب. عبارت (اصطلاح) 2+3–2 K نه تنها شامل اعداد 2 و 3 و نتایج عملیات روی آنها می شود، بلکه شامل علائم + و – نیز می شود که معانی آنها عملیات جمع و تفریق است. این علائم، K بودن. در چارچوب نظری ملاحظات حساب و جبر مدرسه معمولی وقتی وارد حوزه وسیع‌تر علم مدرن می‌شویم دیگر K. نمی‌شوند. جبر یا منطق، که علامت + در برخی موارد به معنای عمل جمع معمولی اعداد است، در موارد دیگر (مثلاً در جبر منطق) - مدول جمع 2 یا جمع بولی، در موارد دیگر - عملیات دیگر. . با این حال، در طول ملاحظات محدودتر (مثلاً هنگام ساختن یک سیستم جبری یا منطقی خاص)، معانی علائم عملیات ثابت می شود و این علائم، بر خلاف علائم متغیرها، تبدیل به K. Isolation of logical می شوند. K. هنگام اعمال بر اشیاء طبیعی نقش ویژه ای دارد. زبان در نقش منطقی K. به روسی زبان، به عنوان مثال، حروف ربط مانند "و"، "یا"، و غیره، کلمات کمی مانند "همه"، "همه"، "وجود دارند"، "بعضی" و غیره، مانند افعال پیوند دهنده، مانند "است" "، "ماهیت"، "هست"، و غیره، و همچنین عبارات پیچیده تری مانند "اگر...، پس"، "اگر و فقط اگر"، "فقط یک وجود دارد"، "آن که"، «چنین که»، «معادل آن» و غیره با برجسته کردن منطقی. ک در طبیعی زبان تشخیص یکسانی نقش آنها در تعداد زیادی از موارد استنتاج یا استدلال دیگر است که ترکیب این موارد را در یک طرح واحد (قاعده منطقی) امکان پذیر می کند، که در آن اشیاء متفاوت از موارد شناسایی شده توسط اصول با متغیرهای مربوطه جایگزین می شوند. هر چه تعداد طرح هایی که می توانند همه موارد مورد نظر استدلال را پوشش دهند کمتر است، خود این طرح ها ساده تر هستند و هرچه احتمال استدلال اشتباه بر اساس آنها تضمین شود، انتخاب منطق های منطقی موجه تر ظاهر می شود. در این طرح ها به. A. Kuznetsov. مسکو. روشن:ادینگتون؟، فضا، زمان و جاذبه، ترجمه. از انگلیسی، O.، 1923; جین دی.، جهان پیرامون ما، ترجمه. از انگلیسی، Leningrad–M., 1932; متولد م.، شماره مرموز 137، در: پیشرفت در فیزیک. علوم، ج 16، بی تا 6, 1936; هایزنبرگ دبلیو، فیلوس. مسائل فیزیک اتمی، M.، 1953; او، کشف پلانک و مبانی. فیلسوف سؤالات دکترین اتم، «مسائل فلسفه»، 1958، شماره 11; او، فیزیک و فلسفه، م.، 1963; نشست هنر در ریاضیات منطق و کاربردهای آن در برخی مسائل سایبرنتیک، در کتاب: Tr. ریاضی. مؤسسه، t. 51، M.، 1958; Kuznetsov I.V., Werner Heisenberg چه چیزی درست است و چه چیزی اشتباه است، "مسائل فلسفه"، 1958، شماره 11; Uspensky V.?., Lectures on computable functions, M., 1960; Kaye, J. and Laby, T., Phys. Tables. و شیمی. دائمی، ترانس. از انگلیسی، ویرایش دوم، م.، 1962; Kurosh A. G., Lectures on Algebra General, M., 1962; Svidersky V.I.، در مورد دیالکتیک عناصر و ساختار در جهان عینی و در دانش، M.، 1962، فصل. 3; ?ddington A. St., New pathways in Science, Camb., 1935; او، نظریه نسبیت پروتون ها و الکترون ها، L.، 1936; توسط او، فلسفه علم فیزیکی، N. Y.-Camb.، 1939; لویی دو بروگلی، پزشک و صاحب نظر، پی. مارس؟، Die physikalische Erkenntnis und ihre Grenzen, 2 Aufl., Braunschweig, 1960.

بیایید به فرآیند تولید آمونیاک بازگردیم که با معادله بیان می شود:

N 2 (g) + 3H 2 (g) → 2NH 3 (g)

نیتروژن و هیدروژن در یک حجم بسته قرار می گیرند و آمونیاک تشکیل می دهند. این روند تا چه زمانی ادامه خواهد داشت؟ منطقی است که فرض کنیم تا زمانی که هر یک از معرف ها تمام شود. با این حال، در زندگی واقعی این کاملا درست نیست. واقعیت این است که مدتی پس از شروع واکنش، آمونیاک حاصل شروع به تجزیه به نیتروژن و هیدروژن می کند، یعنی یک واکنش معکوس آغاز می شود:

2NH 3 (گرم) → N 2 (گرم) + 3H 2 (گرم)

در واقع، در یک حجم بسته، دو واکنش، مستقیماً در مقابل یکدیگر، به طور همزمان انجام خواهد شد. بنابراین، این فرآیند با معادله زیر نوشته می شود:

N 2 (g) + 3H 2 (g) ↔ 2NH 3 (g)

یک فلش دوتایی نشان می دهد که واکنش در دو جهت انجام می شود. واکنش ترکیب نیتروژن و هیدروژن نامیده می شود واکنش مستقیم. واکنش تجزیه آمونیاک - واکنش متقابل.

در همان ابتدای فرآیند، سرعت واکنش مستقیم بسیار زیاد است. اما با گذشت زمان، غلظت معرف ها کاهش می یابد و مقدار آمونیاک افزایش می یابد - در نتیجه سرعت واکنش رو به جلو کاهش می یابد و سرعت واکنش معکوس افزایش می یابد. زمانی فرا می رسد که سرعت واکنش های رو به جلو و معکوس مقایسه می شود - تعادل شیمیایی یا تعادل دینامیکی رخ می دهد. در حالت تعادل، هر دو واکنش رو به جلو و معکوس رخ می دهد، اما سرعت آنها یکسان است، بنابراین هیچ تغییری قابل توجه نیست.

ثابت تعادل

واکنش های مختلف به روش های مختلف انجام می شود. در برخی واکنش‌ها، تعداد نسبتاً زیادی از محصولات واکنش قبل از ایجاد تعادل تشکیل می‌شوند. در دیگران - بسیار کمتر. بنابراین، می توان گفت که یک معادله خاص دارای ثابت تعادل خاص خود است. با دانستن ثابت تعادل یک واکنش، می توان مقادیر نسبی واکنش دهنده ها و محصولات واکنش را تعیین کرد که در آن تعادل شیمیایی رخ می دهد.

اجازه دهید برخی از واکنش ها با معادله توصیف شود: aA + bB = cC + dD

• a، b، c، d - ضرایب معادله واکنش.
• A، B، C، D - فرمول های شیمیایی مواد.

ثابت تعادل:

[C] c [D] d K = ————————— [A] a [B] b

براکت های مربع نشان می دهد که فرمول شامل غلظت مولی مواد است.

ثابت تعادل چه می گوید؟

برای سنتز آمونیاک در دمای اتاق K = 3.5·10 8. این عدد نسبتاً بزرگی است و نشان می دهد که تعادل شیمیایی زمانی رخ می دهد که غلظت آمونیاک بسیار بیشتر از مواد اولیه باقی مانده باشد.

در تولید واقعی آمونیاک، وظیفه تکنسین به دست آوردن بالاترین ضریب تعادل ممکن است، به عنوان مثال، به طوری که واکنش مستقیم به پایان برسد. چگونه می توان به این امر دست یافت؟

اصل لو شاتلیه

اصل لو شاتلیهمی خواند:

چگونه این را بفهمیم؟ همه چیز بسیار ساده است. سه راه برای برهم زدن تعادل وجود دارد:

• تغییر غلظت ماده؛
• تغییر دما؛
• تغییر فشار

هنگامی که واکنش سنتز آمونیاک در تعادل است، می توان آن را به صورت زیر نشان داد (واکنش گرمازا است):

N 2 (g) + 3H 2 (g) → 2NH 3 (g) + گرما

تغییر تمرکز

بیایید نیتروژن اضافی را به یک سیستم متعادل وارد کنیم. این تعادل را به هم می زند:

واکنش رو به جلو سریعتر شروع می شود زیرا مقدار نیتروژن افزایش یافته و مقدار بیشتری از آن واکنش نشان می دهد. پس از مدتی، دوباره تعادل شیمیایی رخ می دهد، اما غلظت نیتروژن بیشتر از غلظت هیدروژن خواهد بود:

اما، می توان سیستم را به روش دیگری به سمت چپ "کج" کرد - با "روشن کردن" سمت راست، به عنوان مثال، با حذف آمونیاک از سیستم در هنگام شکل گیری. بنابراین، واکنش مستقیم تشکیل آمونیاک دوباره غالب خواهد شد.

تغییر دما

سمت راست "ترازو" ما را می توان با تغییر دما تغییر داد. برای اینکه سمت چپ "بیشتر" شود ، باید سمت راست "سبک" شود - دما را کاهش دهید:

تغییر فشار

بر هم زدن تعادل در یک سیستم تنها با استفاده از فشار در واکنش با گازها امکان پذیر است. دو راه برای افزایش فشار وجود دارد:

• کاهش حجم سیستم؛
• معرفی گاز بی اثر

با افزایش فشار، تعداد برخوردهای مولکولی افزایش می یابد. در همان زمان، غلظت گازها در سیستم افزایش می یابد و نرخ واکنش های رو به جلو و معکوس تغییر می کند - تعادل مختل می شود. برای بازگرداندن تعادل، سیستم "سعی می کند" فشار را کاهش دهد.

در طول سنتز آمونیاک، دو مولکول آمونیاک از 4 مولکول نیتروژن و هیدروژن تشکیل می شود. در نتیجه، تعداد مولکول های گاز کاهش می یابد - فشار کاهش می یابد. در نتیجه، برای رسیدن به تعادل پس از افزایش فشار، سرعت واکنش رو به جلو افزایش می یابد.

خلاصه کنید.بر اساس اصل Le Chatelier، تولید آمونیاک را می توان با موارد زیر افزایش داد:

• افزایش غلظت معرف ها؛
• کاهش غلظت محصولات واکنش؛
• کاهش دمای واکنش؛
• افزایش فشاری که در آن واکنش رخ می دهد.