Rozważmy ogólną reakcję zwrotną
Badania eksperymentalne pokazują, że w stanie równowagi spełniona jest następująca zależność:
(nawiasy kwadratowe wskazują stężenie). Powyższy stosunek jest matematycznym wyrażeniem prawa działania mas, czyli prawa równowagi chemicznej, zgodnie z którym w stanie równowagi chemicznej w określonej temperaturze iloczyn stężeń produktów reakcji w potęgach, wskaźnikach
które są równe odpowiednim współczynnikom w równaniu stechiometrycznym reakcji, podzielone przez podobny iloczyn stężeń reagentów w odpowiednich potęgach, jest wartością stałą. Stała ta nazywana jest stałą równowagi. Wyrażenie stałej równowagi w postaci stężeń produktów i reagentów jest typowe dla reakcji w roztworach.
Należy zauważyć, że prawa strona wyrażenia na stałą równowagi zawiera tylko stężenia rozpuszczonych substancji. Nie powinno zawierać żadnych terminów związanych z czystymi ciałami stałymi, czystymi cieczami, rozpuszczalnikami biorącymi udział w reakcji, ponieważ terminy te są stałe.
W przypadku reakcji z udziałem gazów stałą równowagi wyraża się w postaci ciśnień cząstkowych gazów, a nie w postaci ich stężeń. W tym przypadku stała równowagi jest oznaczona symbolem .
Stężenie gazu można wyrazić w postaci jego ciśnienia, korzystając z równania stanu gazu doskonałego (patrz sekcja 3.1):
Z tego równania wynika
gdzie jest stężeniem gazu, które można oznaczyć jako [gaz]. Ponieważ jest to wartość stała, możemy to zapisać w danej temperaturze
Wyraźmy stałą równowagi reakcji wodoru z jodem w postaci ciśnień cząstkowych tych gazów.
Równanie tej reakcji ma postać
Dlatego stałą równowagi tej reakcji podaje wzór
Zwróćmy uwagę na fakt, że stężenia lub ciśnienia cząstkowe produktów, czyli substancji wskazanych po prawej stronie równania chemicznego, zawsze tworzą licznik, a stężenia lub ciśnienia cząstkowe odczynników, czyli substancji wskazane po lewej stronie równania chemicznego, zawsze tworzą mianownik wyrażenia na stałą równowagi.
Jednostki stałej równowagi
Stała równowagi może okazać się wielkością wymiarową lub bezwymiarową, w zależności od rodzaju jej wyrażenia matematycznego. W powyższym przykładzie stała równowagi jest bezwymiarowa, ponieważ licznik i mianownik ułamka mają te same wymiary. W przeciwnym razie stała równowagi ma wymiar wyrażony w jednostkach stężenia lub ciśnienia.
Jaki jest wymiar stałej równowagi poniższej reakcji?
Ma zatem wymiar (mol-dm-3)
Zatem wymiar rozważanej stałej równowagi lub dm3/mol.
Jaki jest wymiar stałej równowagi poniższej reakcji?
Stałą równowagi tej reakcji określa wyrażenie
Dlatego ma wymiar
Zatem wymiar tej stałej równowagi: atm lub Pa.
Równowagi heterogeniczne
Do tej pory podaliśmy przykłady jedynie równowag jednorodnych. Przykładowo w reakcji syntezy jodowodoru zarówno produkt, jak i obydwa reagenty występują w stanie gazowym.
Jako przykład reakcji prowadzącej do równowagi heterogenicznej rozważ dysocjację termiczną węglanu wapnia
Stałą równowagi tej reakcji podaje wzór
Należy zauważyć, że to wyrażenie nie obejmuje żadnych terminów odnoszących się do dwóch ciał stałych biorących udział w reakcji. W pokazanym przykładzie stałą równowagi jest ciśnienie dysocjacji węglanu wapnia. Pokazuje, że jeśli węglan wapnia ogrzewa się w zamkniętym naczyniu, to ciśnienie jego dysocjacji w ustalonej temperaturze nie zależy od ilości węglanu wapnia. W następnej części dowiemy się, jak stała równowagi zmienia się wraz ze zmianą temperatury. W rozpatrywanym przykładzie ciśnienie dysocjacji przekracza 1 atm dopiero w temperaturze powyżej. Dlatego też, aby dwutlenek
stały (od łac. constants, rodzaj n. constualis - stały, niezmieniony), - taki przedmiot w pewnej teorii, którego znaczenie w tej teorii (lub czasami węższym rozważaniu) jest zawsze uważane za to samo. K. sprzeciwiają się takim obiektom, których wartości zmieniają się (samoistnie lub w zależności od zmiany wartości innych obiektów). Obecność K. w wyrazie wielu. prawa natury i społeczeństwa odzwierciedlają powiązania. niezmienność pewnych aspektów rzeczywistości, objawiająca się obecnością wzorców. Ważną odmianą K. jest K., związana z liczbą fizyczną. wielkości, takie jak długość, czas, siła, masa (na przykład masa spoczynkowa elektronu) lub wielkości bardziej złożone wyrażone liczbowo w postaci stosunków między tymi K. lub ich potęgi, takie jak objętość, prędkość, praca, itp. .P. (np. przyspieszenie grawitacyjne na powierzchni Ziemi). Te z K. tego rodzaju żyto są uważane za współczesne. fizyki (w ramach odpowiednich teorii) odnoszącej się do całej obserwowalnej części Wszechświata, tzw. światowy (lub uniwersalny) K.; Przykładami takich kwantów są prędkość światła w próżni, stała kwantowa Plancka (czyli wartość tzw. kwantu działania), stała grawitacji i inne. XX wiek Jednocześnie niektórzy zagraniczni naukowcy (angielski fizyk i astronom A. Eddington, niemiecki fizyk Heisenberg, austriacki fizyk A. March itp.) próbowali nadać im idealizm. interpretacja. Tak więc Eddington widział w systemie świata k. jeden z przejawów samowystarczalności. istnienie ideału matematycznego formy wyrażające harmonię natury i jej praw. W rzeczywistości uniwersalne K. nie odzwierciedlają wyimaginowanej samowystarczalności. bycie (poza rzeczami i poznaniem) o wskazanych formach oraz (zwykle wyrażane matematycznie) podstawowe prawa obiektywnej rzeczywistości, w szczególności prawa związane z budową materii. głęboka dialektyka. znaczenie światowej mechaniki kwantowej objawia się w tym, że niektóre z nich (stała kwantowa Plancka, prędkość światła w próżni) stanowią rodzaj skali wyznaczającej różne klasy procesów przebiegających zasadniczo różnymi drogami; jednocześnie taki K. wskazuje na obecność pewnego. powiązania pomiędzy zjawiskami tych klas. Zatem związek między prawami klasycznymi. i mechanikę relatywistyczną (patrz teoria względności) można ustalić na podstawie rozważenia takiego ograniczającego przejścia równań ruchu mechaniki relatywistycznej do równań ruchu klasycznej. mechanika, co wiąże się z idealizacją, która polega na odrzuceniu idei prędkości światła w próżni jako skończonej K. i w rozumieniu prędkości światła jako nieskończenie dużej; z inną idealizacją, która polega na uznaniu kwantu działania za wielkość nieskończenie małą, równania ruchu teorii kwantowej przechodzą do równań ruchu klasycznej. mechanika itp. Oprócz tych najważniejszych K., określanych czysto fizycznie i występujących w preparatach wielu podstawowych. prawa natury są szeroko stosowane w tym samym miejscu i takie, definiowane czysto matematycznie, K., jako liczba 0; 1; ? (stosunek obwodu do średnicy); e (podstawa logarytmów naturalnych); Stała Eulera i inne.Nie mniej często stosowane są także K., które są wynikami znanych obliczeń matematycznych. operacji na wskazanym K. Im jednak trudniej jest wyrazić często używane K. poprzez prościej zdefiniowane K. (lub tak najprostsze K. jak 0 i 1) i znane operacje, tym bardziej niezależny jest jego udział w formułowaniu tych prawa i stosunki, w to-rykh to występuje, tym częściej wprowadza się dla niego specjalny. oznaczenie, obliczyć lub zmierzyć je tak dokładnie, jak to możliwe. Niektóre wielkości występują sporadycznie i są K. tylko w ramach rozważania określonego problemu, a nawet mogą zależeć od wyboru warunków (wartości parametrów) problemu, stając się K. tylko wtedy, gdy te warunki są naprawione. Takie K. są często oznaczone literami C lub K (bez łączenia tych oznaczeń raz na zawsze z tym samym K.) lub po prostu piszą, że taka a taka wartość \u003d const. A. Kuzniecow, I. Lachow. Moskwa. W przypadkach, gdy funkcje pełnią rolę rozważanych obiektów w matematyce lub logice, K. nazywane są takimi z nich, których wartość nie zależy od wartości argumentów tych funkcji. Na przykład K. jest różnicą x–x jako funkcją x, ponieważ dla wszystkich (liczbowych) wartości zmiennej x wartość funkcji x–x jest tą samą liczbą 0. dla wszystkich możliwych wartości swojego argumentu A ma on (w ramach zwykłej, klasycznej algebry logiki) tę samą wartość 1 (co charakteryzuje się wartością logiczną „prawda”, warunkowo z nią utożsamianą). Przykładem bardziej złożonego K. z algebry logiki jest funkcja (AB? BA). W niektórych przypadkach funkcja, której wartość jest stała, jest utożsamiana z samą tą wartością. W tym przypadku wartość funkcji pojawia się już jako K. (dokładniej jako funkcja będąca K.). Argumentami tej funkcji mogą być dowolne wybrane zmienne literałowe (np. A, B, x, y itp.), ponieważ zresztą to nie od nich zależy. W pozostałych przypadkach taka identyfikacja funkcji, która jest kluczem, nie dokonuje się na podstawie jej wartości, tj. rozróżnić takie dwa K., z których jeden ma wśród swoich argumentów zmienną, a drugi nie. Umożliwia to na przykład zdefiniowanie funkcji jako jej tabeli, a także upraszcza schemat. definicja niektórych operacji na funkcjach. Oprócz takich stałych, których wartościami są liczby (ewentualnie nazwane) lub charakteryzują się liczbami, istnieją również inne stałe. zbiór wszystkich liczb całkowitych jest nieujemny. liczby. Wartość funkcji, czyli K., może być także obiektem dowolnej natury. Przykładowo, rozważając funkcje takiej zmiennej A, której wartości są podzbiorami ciągu naturalnego, można wyznaczyć jedną z tych funkcji, której wartość dla wszystkich wartości zmiennej A jest zbiorem wszystkich liczb pierwszych. Oprócz tego fizycznego ilości i funkcje w roli takich przedmiotów, z których część okazuje się K., często (zwłaszcza w logice i semantyce) rozważają znaki i ich kombinacje: słowa, zdania, terminy, formuły itp., a także jako oznaczające znaki nich, których znaczenie nie jest szczegółowo wymienione, ich znaczenia semantyczne (jeśli istnieją). W tym samym czasie ujawniają się nowe K. A więc w arytmetyce. wyrażenie (termin) 2 + 3–2 K. to nie tylko liczby 2 i 3 oraz wyniki operacji na nich, ale także znaki + i -, których wartościami są operacje dodawania i odejmowania. Znaki te, będąc K. w ramach teorii Rozważanie zwykłej szkolnej arytmetyki i algebry przestaje być K., gdy wkraczamy w szerszy obszar nowoczesności. algebra lub logika, gdzie znak + w niektórych przypadkach oznacza operację zwykłego dodawania liczb, w innych przypadkach (na przykład w algebrze logicznej) - dodawanie modulo 2 lub dodawanie Boole'a, w innych - inna operacja . Jednak przy węższych rozważaniach (na przykład przy konstruowaniu określonego systemu algebraicznego lub logicznego) znaczenia znaków operacji są stałe i znaki te, w przeciwieństwie do znaków zmiennych, stają się K. Wybór logiczny. K. odgrywa szczególną rolę w zastosowaniu do obiektów z natury. język. W roli logicznej K. po rosyjsku. język zawiera na przykład takie spójniki, jak „i”, „lub” itp., takie słowa kwantyfikatorów, jak „wszystko”, „jakikolwiek”, „istnieje”, „niektóre” itp., takie czasowniki łączące, jak „ jest”, „istota”, „jest” itp., a także zwroty bardziej złożone, jak „jeśli…, to”, „wtedy i tylko wtedy”, „jest tylko jeden”, „ten, który” , „takie, że”, „równoważne temu” itp. Poprzez podkreślenie logiki. K. w przyrodzie. Język to uznanie podobieństwa ich roli w ogromnej liczbie przypadków wnioskowania lub innego rozumowania, co umożliwia połączenie tych przypadków w jeden lub inny pojedynczy schemat (reguła logiczna), w którym obiekty różniące się od wyróżnionych przez K. są zastępowane odpowiednimi zmiennymi. Im mniejsza liczba schematów, które mogą objąć wszystkie rozpatrywane przypadki rozumowania, tym prostsze są same te schematy i im bardziej jesteśmy zabezpieczeni przed możliwością błędnego rozumowania na ich temat, tym bardziej uzasadniony jest wybór występujących logicznych w tych schematach. DO. A. Kuzniecow. Moskwa. Oświetlony.: Eddington?, Przestrzeń, czas i grawitacja, przeł. z języka angielskiego, O., 1923; Jeans, D., Wszechświat wokół nas, przeł. z języka angielskiego, L.–M., 1932; Urodzony M., tajemniczy numer 137, w sobotę: Uspekhi nat. Sciences, t. 16, nie. 6, 1936; Heisenberg W., Philos. problemy fizyki atomowej, M., 1953; jego własny, Planck's Discovery i DOS. filozofia zagadnienia doktryny o atomach, „Problemy Filozofii”, 1958, nr 11; własny, Fizyka i filozofia, M., 1963; sob. Sztuka. przez matematykę. logika i jej zastosowania do niektórych zagadnień cybernetyki, w: Tr. matematyka. in-ta, t. 51, M., 1958; Kuzniecow IV, Co Werner Heisenberg ma rację, a co nie, „Problemy filozofii”, 1958, nr 11; Uspienski V. ?., Wykłady o funkcjach obliczeniowych, Moskwa, 1960; Kay J. i Laby T., Tablice nat. i chemia. stałe, os. z języka angielskiego, wyd. 2, M., 1962; Kurosh A. G., Wykłady z algebry ogólnej, M., 1962; Svidersky V.I., O dialektyce elementów i struktury w świecie obiektywnym i poznaniu, M., 1962, rozdz. 3; ?ddington A. St., Nowe ścieżki w nauce, Camb., 1935; jego własna teoria względności protonów i elektronów, L., 1936; jego własny, Filozofia nauk fizycznych, N. Y. – Camb., 1939; Louis de Broglie, lekarz i penseur, P.; Marzec?., Die physikalische Erkenntnis und ihre Grenzen, 2 Aufl., Braunschweig, 1960.
Wróćmy do procesu produkcji amoniaku, który wyraża się równaniem:
N 2 (g) + 3H 2 (g) → 2NH 3 (g)
Będąc w zamkniętej objętości, azot i wodór łączą się, tworząc amoniak. Jak długo będzie trwał ten proces? Logiczne jest założenie, że dopóki nie skończy się którykolwiek z odczynników. Jednak w prawdziwym życiu nie jest to do końca prawdą. Faktem jest, że jakiś czas po rozpoczęciu reakcji powstały amoniak rozpadnie się na azot i wodór, tj. rozpocznie się reakcja odwrotna:
2NH 3 (g) → N 2 (g) + 3H 2 (g)
W rzeczywistości dwie bezpośrednio przeciwne reakcje będą zachodzić jednocześnie w zamkniętej objętości. Dlatego proces ten zapisano w następujący sposób:
N 2 (g) + 3H 2 (g) ↔ 2NH 3 (g)
Podwójna strzałka wskazuje, że reakcja przebiega w dwóch kierunkach. Reakcja połączenia azotu i wodoru nazywa się bezpośrednia reakcja. Reakcja rozkładu amoniaku - reakcja.
Na samym początku procesu szybkość reakcji bezpośredniej jest bardzo duża. Jednak z biegiem czasu stężenia odczynników maleją, a ilość amoniaku wzrasta - w rezultacie zmniejsza się szybkość reakcji naprzód, a zwiększa się szybkość reakcji odwrotnej. Przychodzi czas, gdy porównuje się szybkości reakcji bezpośrednich i odwrotnych - zachodzi równowaga chemiczna lub równowaga dynamiczna. W równowadze zachodzą reakcje do przodu i do tyłu, ale ich szybkości są takie same, więc zmiany nie są zauważalne.
Stała równowagi
Różne reakcje przebiegają na różne sposoby. W niektórych reakcjach przed wystąpieniem równowagi powstaje dość duża liczba produktów reakcji; w innych znacznie mniej. Można zatem powiedzieć, że dane równanie ma swoją stałą równowagi. Znając stałą równowagi reakcji można wyznaczyć względną ilość reagentów i produktów reakcji, przy której zachodzi równowaga chemiczna.
Niech pewną reakcję opiszemy równaniem: aA + bB = cC + dD
- a, b, c, d - współczynniki równania reakcji;
- A, B, C, D - wzory chemiczne substancji.
Stała równowagi:
[C] do [D] d K = ———————— [A] a [B] b
Nawiasy kwadratowe wskazują, że we wzorze uwzględniane są stężenia molowe substancji.
Co oznacza stała równowagi?
Do syntezy amoniaku w temperaturze pokojowej K=3,5·10 8 . Jest to dość duża liczba, wskazująca, że równowaga chemiczna nastąpi, gdy stężenie amoniaku będzie znacznie większe niż pozostałych materiałów wyjściowych.
W rzeczywistej produkcji amoniaku zadaniem technologa jest uzyskanie jak najwyższego współczynnika równowagi, czyli tak, aby reakcja bezpośrednia przebiegała do końca. Jak można to osiągnąć?
Zasada Le Chateliera
Zasada Le Chateliera czyta:
Jak to zrozumieć? Wszystko jest bardzo proste. Istnieją trzy sposoby na przełamanie równowagi:
- zmiana stężenia substancji;
- zmiana temperatury
- zmiana ciśnienia.
Gdy reakcja syntezy amoniaku jest w równowadze, można to przedstawić w następujący sposób (reakcja jest egzotermiczna):
N 2 (g) + 3H 2 (g) → 2NH 3 (g) + ciepło
Zmiana stężenia
Do zbilansowanego układu wprowadzamy dodatkową ilość azotu. W takim przypadku równowaga zostanie zachwiana:
Reakcja postępująca zacznie przebiegać szybciej, ponieważ wzrosła ilość azotu i jego większa ilość reaguje. Po pewnym czasie równowaga chemiczna wróci, ale stężenie azotu będzie większe niż stężenie wodoru:
Można jednak „przechylić” układ w lewą stronę w inny sposób – „ułatwiając” na przykład prawej stronie usuwanie amoniaku z układu w miarę jego powstawania. Zatem ponownie dominować będzie bezpośrednia reakcja tworzenia amoniaku.
Zmień temperaturę
Prawą stronę naszej „skali” można zmieniać zmieniając temperaturę. Aby lewa strona „przeważała”, należy „rozjaśnić” prawą stronę - obniżyć temperaturę:
Zmień ciśnienie
Przełamanie równowagi w układzie za pomocą ciśnienia jest możliwe tylko w reakcjach z gazami. Istnieją dwa sposoby zwiększania ciśnienia:
- zmniejszenie objętości systemu;
- wprowadzenie gazu obojętnego.
Wraz ze wzrostem ciśnienia wzrasta liczba zderzeń molekularnych. Jednocześnie wzrasta stężenie gazów w układzie i zmieniają się szybkości reakcji do przodu i do tyłu – równowaga zostaje zakłócona. Aby przywrócić równowagę, system „próbuje” zmniejszyć ciśnienie.
Podczas syntezy amoniaku z 4 cząsteczek azotu i wodoru powstają dwie cząsteczki amoniaku. W efekcie maleje liczba cząsteczek gazu – spada ciśnienie. W konsekwencji, aby po wzroście ciśnienia osiągnąć równowagę, zwiększa się szybkość reakcji do przodu.
Podsumować. Zgodnie z zasadą Le Chateliera produkcję amoniaku można zwiększyć poprzez:
- zwiększenie stężenia odczynników;
- zmniejszenie stężenia produktów reakcji;
- obniżenie temperatury reakcji;
- zwiększenie ciśnienia, pod którym zachodzi reakcja.
