Låt oss överväga den allmänna omvända reaktionen
Experimentella studier visar att i ett jämviktstillstånd gäller följande förhållande:
(hakparenteser indikerar koncentration). Ovanstående samband är ett matematiskt uttryck för lagen om massverkan, eller lagen om kemisk jämvikt, enligt vilken, i ett tillstånd av kemisk jämvikt vid en viss temperatur, produkten av koncentrationerna av reaktionsprodukter i potenser, exponenter
som är lika med motsvarande koefficienter i den stökiometriska reaktionsekvationen, dividerat med en liknande produkt av koncentrationerna av reaktanterna i motsvarande potenser, representerar ett konstant värde. Denna konstant kallas för jämviktskonstanten. Uttrycket av jämviktskonstanten i termer av koncentrationer av produkter och reagens är typiskt för reaktioner i lösningar.
Observera att den högra sidan av uttrycket för jämviktskonstanten endast innehåller koncentrationerna av lösta ämnen. Det bör inte inkludera några termer relaterade till de rena fasta ämnen, rena vätskor eller lösningsmedel som deltar i reaktionen, eftersom dessa termer är konstanta.
För reaktioner som involverar gaser uttrycks jämviktskonstanten i termer av gasernas partialtryck och inte i termer av deras koncentrationer. I detta fall betecknas jämviktskonstanten med symbolen.
Koncentrationen av en gas kan uttryckas i termer av dess tryck med hjälp av den ideala gastillståndsekvationen (se avsnitt 3.1):
Av denna ekvation följer
var är gaskoncentrationen, som kan betecknas som [gas]. Eftersom - är ett konstant värde kan vi skriva det vid en given temperatur
Låt oss uttrycka jämviktskonstanten för reaktionen mellan väte och jod i termer av partialtrycken för dessa gaser.
Ekvationen för denna reaktion har formen
Därför ges jämviktskonstanten för denna reaktion av
Låt oss notera att koncentrationerna eller partialtrycken för produkter, det vill säga ämnen som anges på höger sida av den kemiska ekvationen, alltid bildar täljaren, och koncentrationerna eller partialtrycken av reaktanter, d.v.s. ämnen som anges på den vänstra sidan av kemikalien bildar alltid nämnaren för uttrycket för jämviktskonstanten.
Måttenheter för jämviktskonstanten
Jämviktskonstanten kan vara en dimensionell eller dimensionslös storhet, beroende på typen av dess matematiska uttryck. I exemplet ovan är jämviktskonstanten en dimensionslös storhet eftersom täljaren och nämnaren för bråket har samma dimensioner. Annars har jämviktskonstanten en dimension uttryckt i enheter för koncentration eller tryck.
Vilken dimension har jämviktskonstanten för följande reaktion?
Därför har den en dimension (mol-dm-3)
Så, dimensionen av jämviktskonstanten i fråga är eller dm3/mol.
Vilken dimension har jämviktskonstanten för följande reaktion?
Jämviktskonstanten för denna reaktion bestäms av uttrycket
Därför har den dimension
Så dimensionen för denna jämviktskonstant är: atm eller Pa.
Heterogena jämvikter
Hittills har vi bara gett exempel på homogena jämvikter. Till exempel, i syntesreaktionen av vätejodid, är både produkten och båda reaktanterna i gasformigt tillstånd.
Som ett exempel på en reaktion som leder till heterogen jämvikt, betrakta den termiska dissociationen av kalciumkarbonat
Jämviktskonstanten för denna reaktion ges av
Observera att detta uttryck inte inkluderar några termer relaterade till de två fasta ämnen som är involverade i reaktionen. I det givna exemplet representerar jämviktskonstanten dissociationstrycket för kalciumkarbonat. Den visar att om kalciumkarbonat värms upp i ett slutet kärl, så beror dess dissociationstryck vid en fast temperatur inte på mängden kalciumkarbonat. I nästa avsnitt kommer vi att lära oss hur jämviktskonstanten förändras med temperaturen. I exemplet under övervägande överstiger dissociationstrycket 1 atm endast vid en högre temperatur. Därför, för att dioxiden
konstant (av latin constans, gen. constantis - konstant, oföränderlig) - ett av objekten i en viss teori, vars innebörd inom ramen för denna teori (eller ibland snävare övervägande) alltid anses vara densamma. K. kontrasteras med sådana föremål, vars betydelser förändras (av sig själva eller beroende på förändringar i andra föremåls betydelser). Närvaron av K. när man uttrycker plural. speglar naturens och samhällets lagar. oföränderligheten av vissa aspekter av verkligheten, manifesterad i närvaro av mönster. En viktig variant av K. är K., som klassificeras som fysisk. kvantiteter, såsom längd, tid, kraft, massa (till exempel vilomassan av en elektron), eller mer komplexa storheter, numeriskt uttryckbara genom sambanden mellan dessa storheter eller deras styrkor, såsom volym, hastighet, arbete, etc. .P. (t.ex. gravitationsacceleration vid jordens yta). De från K. av detta slag, som anses i modern tid. fysik (inom ramen för dess motsvarande teorier) som är betydelsefulla för hela den observerbara delen av universum, kallas. värld (eller universell) K.; Exempel på sådana kvantparametrar är ljusets hastighet i vakuum, Plancks kvantkonstant (d.v.s. värdet av det så kallade aktionskvantet), gravitationskonstanten, etc. Vetenskapen uppmärksammade den stora betydelsen av världens kvantkonstanter i 20–30-tal. 1900-talet Samtidigt försökte vissa utländska vetenskapsmän (den engelske fysikern och astronomen A. Eddington, den tyske fysikern Heisenberg, den österrikiske fysikern A. March, etc.) ge dem ett idealistiskt förhållningssätt. tolkning. Således såg Eddington i världens kosmos system en av manifestationerna av oberoende. existensen av idealisk matematisk former som uttrycker naturens harmoni och dess lagar. Faktum är att universella K. inte speglar ett imaginärt jag. existensen (utanför saker och kunskap) av de angivna formerna, och (vanligtvis uttryckt matematiskt) den objektiva verklighetens grundläggande lagar, i synnerhet de lagar som är förknippade med materiens struktur. Djup dialektisk. Innebörden av världens principer avslöjas i det faktum att några av dem (Plancks kvantkonstant, ljusets hastighet i vakuum) är ett slags skalor som avgränsar olika klasser av processer som fortgår på fundamentalt olika sätt; samtidigt anger sådana K. förekomsten av en definition. samband mellan fenomenen i dessa klasser. Alltså sambandet mellan lagarna i klassisk och relativistisk mekanik (se relativitetsteorin) kan fastställas från att betrakta en sådan begränsande övergång av relativistisk mekaniks rörelseekvationer till klassiska rörelseekvationer. mekanik, som förknippas med idealisering, som består i att överge idén om ljusets hastighet i tomheten som ett ändligt K. och att förstå ljusets hastighet som oändligt stor; med en annan idealisering, som består i att betrakta kvantumet av handling som en oändligt liten kvantitet, omvandlas kvantteorins rörelseekvationer till den klassiska teorins rörelseekvationer. mekanik osv. Utöver dessa viktigaste K., definierade rent fysiskt och förekommer i formuleringarna av många grundläggande principer. naturlagar, de rent matematiskt definierade, K., som siffrorna 0, används där i stor utsträckning; 1; ? (förhållande mellan omkrets och diameter); e (bas av naturliga logaritmer); Eulers konstant o. s. v. K. används inte mindre ofta, som är resultatet av välkända matematiska studier. operationer på specificerade komplex. Men ju svårare det är att uttrycka ett ofta använt komplex genom enklare definierade komplex (eller de enklaste komplexen som 0 och 1) och kända operationer, desto mer oberoende är dess deltagande i formuleringarna av dessa lagar och relationer i ju oftare det förekommer, desto oftare introduceras speciella droger för det. beteckning, beräkna eller mäta den så noggrant som möjligt. En del av storheterna förekommer då och då och är Q. endast inom ramen för övervägande av ett visst problem, och de kan till och med bero på valet av villkor (parametervärden) för problemet och blir Q. först när dessa villkor är fixerade. Sådana kvantiteter betecknas ofta med bokstäverna C eller K (utan att associera dessa beteckningar en gång för alla med samma kvantitet) eller skriv helt enkelt att sådan och sådan mängd = konst. A. Kuznetsov, I. Lyakhov. Moskva. I de fall där i matematik eller logik rollen för objekten som övervägs spelas av funktioner, kallas de av dem de vars värde inte beror på värdena för argumenten för dessa funktioner. Till exempel är K. skillnaden x–x som en funktion av x, eftersom för alla (numeriska) värden av variabeln x är värdet på funktionen x–x samma nummer 0. Ett exempel på en logisk algebrafunktion som är en K är A/A (betraktad som en funktion av "variabelt uttalande" A), sedan för alla möjliga värden av dess argument A har den (inom ramen för den vanliga, klassiska logikens algebra) samma värde 1 (vilket kännetecknas av det logiska värdet "sanning" som konventionellt identifieras med det). Ett exempel på en mer komplex funktion från logikens algebra är funktionen (AB?BA). I vissa fall identifieras en funktion vars värde är konstant med detta värde i sig. I detta fall visas värdet på funktionen som ett K. (närmare bestämt, som en funktion som är ett K.). Alla valda bokstavsvariabler (till exempel A, B, x, y, etc.) kan betraktas som argument för denna funktion, eftersom hon är inte beroende av dem i alla fall. I andra fall görs inte sådan identifiering av en funktion som är ett K. med dess innebörd, d.v.s. skilja mellan två argument, varav det ena har en variabel bland sina argument, vilket det andra inte har. Detta tillåter till exempel att definiera en funktion som dess tabell och förenklar även schemat. definition av vissa operationer på funktioner. Tillsammans med sådana koder, vars värden är siffror (kanske namngivna) eller kännetecknas av siffror, finns det också andra koder. Till exempel, i mängdteorin är en viktig kod den naturliga serien N, dvs. mängden av alla icke-negativa heltal. tal. Värdet av en funktion, som är ett K., kan också vara ett objekt av vilken karaktär som helst. Till exempel, med tanke på funktioner av en sådan variabel A, vars värden är delmängder av den naturliga serien, kan man bestämma en av dessa funktioner vars värde för alla värden av variabeln A kommer att vara mängden av alla primtal. Förutom fysiska kvantiteter och funktioner i rollen för sådana objekt, av vilka en del visar sig vara symboler, betraktar de ofta (särskilt i logik och semantik) tecken och deras kombinationer: ord, meningar, termer, formler, etc., och som betyder de av dem vars betydelser inte diskuteras särskilt, deras semantiska betydelser (om någon). Samtidigt avslöjas nya K, alltså i aritmetik. Uttrycket (term) 2+3–2 K innehåller inte bara siffrorna 2 och 3 och resultatet av operationer på dem, utan också tecknen + och –, vars betydelser är operationerna för addition och subtraktion. Dessa tecken, som är K. inom ramen för teoretiska överväganden om vanlig skolaritmetik och algebra upphör att vara K. när vi går in i det bredare området av modern vetenskap. algebra eller logik, där +-tecknet i vissa fall har betydelsen av operationen av vanlig addition av tal, i andra fall (till exempel i logikens algebra) - addition modulo 2 eller boolesk addition, i andra fall - en annan operation . Men under snävare överväganden (till exempel när man konstruerar ett specifikt algebraiskt eller logiskt system) är betydelsen av tecknen på operationer fixerade och dessa tecken, i motsats till variablernas tecken, blir K. Isolation av logisk. K. spelar en speciell roll när den appliceras på naturliga föremål. språk. I rollen som logisk K. på ryska språk, till exempel sådana konjunktioner som "och", "eller", etc., sådana kvantifierande ord som "alla", "alla", "finns", "några" etc., sådana länkande verb, som "är" ", "essens", "är", etc., såväl som sådana mer komplexa fraser som "om..., då", "om och bara om", "det finns bara en", "den som" , ”sådant”, ”motsvarar det” etc. Genom att framhäva logiskt. K. i naturlig språket är erkännandet av likheten i deras roll i ett stort antal fall av slutsatser eller andra resonemang, vilket gör det möjligt att kombinera dessa fall till ett eller annat enstaka schema (logisk regel), där objekt skiljer sig från de som identifierats av principer ersätts av motsvarande variabler. Ju mindre antal scheman som kan täcka alla övervägda fall av resonemang, desto enklare är dessa scheman i sig, och ju mer vi är garanterade mot möjligheten av felaktiga resonemang baserade på dem, desto mer motiverat är valet av de logiska logikerna. i dessa system. TILL. A. Kuznetsov. Moskva. Belyst.: Eddington?., Space, Time and Gravity, övers. från engelska, O., 1923; Jeans D., Universum runt oss, övers. från engelska, Leningrad–M., 1932; Född M., Mystisk nummer 137, i: Advances in Physics. Sciences, vol. 16, nr. 6, 1936; Heisenberg W., Philos. problem med atomfysik, M., 1953; hans, Plancks upptäckt och grunderna. Filosof frågor om läran om atomer, "Problems of Philosophy", 1958, nr 11; honom, Physics and Philosophy, M., 1963; lö. Konst. i matematik logik och dess tillämpningar på vissa frågor av cybernetik, i boken: Tr. matematik. Institutet, t. 51, M., 1958; Kuznetsov I.V., Vad har Werner Heisenberg rätt och vad är fel, "Questions of Philosophy", 1958, nr 11; Uspensky V.?., Föreläsningar om beräkningsbara funktioner, M., 1960; Kaye, J. och Laby, T., Phys. Tables. och chem. permanent, övers. från engelska, 2:a uppl., M., 1962; Kurosh A. G., Föreläsningar om allmän algebra, M., 1962; Svidersky V.I., Om elementens och strukturens dialektik i den objektiva världen och i kunskap, M., 1962, kap. 3; ?ddington A. St., New pathways in science, Camb., 1935; hans, Relativitetsteori för protoner och elektroner, L., 1936; av honom, The philosophy of Physical science, N. Y.–Camb., 1939; Louis de Broglie, physicien et penseur, P., ; mars?., Die physikalische Erkenntnis und ihre Grenzen, 2 Aufl., Braunschweig, 1960.
Låt oss återgå till ammoniakproduktionsprocessen, uttryckt med ekvationen:
N2 (g) + 3H2 (g) → 2NH3 (g)
I en sluten volym kombineras kväve och väte och bildar ammoniak. Hur länge kommer denna process att pågå? Det är logiskt att anta att tills något av reagenserna tar slut. Men i verkliga livet är detta inte helt sant. Faktum är att en tid efter att reaktionen har börjat kommer den resulterande ammoniaken att börja sönderdelas till kväve och väte, det vill säga en omvänd reaktion kommer att börja:
2NH3 (g) → N2 (g) + 3H2 (g)
Faktum är att i en sluten volym kommer två reaktioner, direkt motsatta varandra, att äga rum samtidigt. Därför skrivs denna process av följande ekvation:
N2 (g) + 3H2 (g) ↔ 2NH3 (g)
En dubbelpil indikerar att reaktionen går i två riktningar. Reaktionen av kväve och väte som kombinerar kallas direkt reaktion. Ammoniaknedbrytningsreaktion - glapp.
Allra i början av processen är den direkta reaktionshastigheten mycket hög. Men med tiden minskar koncentrationerna av reagenserna, och mängden ammoniak ökar - som ett resultat minskar hastigheten för den framåtriktade reaktionen och hastigheten för den omvända reaktionen ökar. Det kommer en tid då hastigheterna för framåt- och bakåtreaktioner jämförs - kemisk jämvikt eller dynamisk jämvikt uppstår. Vid jämvikt inträffar både framåt- och bakåtreaktioner, men deras hastigheter är desamma, så inga förändringar märks.
Jämviktskonstant
Olika reaktioner går på olika sätt. I vissa reaktioner bildas ett ganska stort antal reaktionsprodukter innan jämvikt uppstår; i andra - mycket mindre. Således kan vi säga att en viss ekvation har sin egen jämviktskonstant. Genom att känna till jämviktskonstanten för en reaktion är det möjligt att bestämma de relativa mängderna av reaktanter och reaktionsprodukter vid vilka kemisk jämvikt uppstår.
Låt någon reaktion beskrivas med ekvationen: aA + bB = cC + dD
- a, b, c, d - koefficienter för reaktionsekvationen;
- A, B, C, D - kemiska formler för ämnen.
Jämviktskonstant:
[C] c [D] d K = ———————— [A] a [B] b
Hakparenteser indikerar att formeln involverar molära koncentrationer av ämnen.
Vad säger jämviktskonstanten?
För syntes av ammoniak vid rumstemperatur K = 3,5·10 8. Detta är ett ganska stort antal, vilket indikerar att kemisk jämvikt kommer att inträffa när ammoniakkoncentrationen är mycket större än de återstående utgångsmaterialen.
Vid faktisk ammoniakproduktion är teknologens uppgift att få högsta möjliga jämviktskoefficient, det vill säga så att den direkta reaktionen fortsätter till fullbordan. Hur kan detta uppnås?
Le Chateliers princip
Le Chateliers princip lyder:
Hur ska man förstå detta? Allt är väldigt enkelt. Det finns tre sätt att rubba balansen:
- ändra koncentrationen av ämnet;
- ändra temperaturen;
- ändra trycket.
När ammoniaksyntesreaktionen är i jämvikt kan den avbildas enligt följande (reaktionen är exoterm):
N2 (g) + 3H2 (g) → 2NH3 (g) + Värme
Ändrar koncentrationen
Låt oss införa ytterligare kväve i ett balanserat system. Detta kommer att rubba balansen:
Framreaktionen kommer att börja gå snabbare eftersom mängden kväve har ökat och mer av det reagerar. Efter en tid kommer kemisk jämvikt att inträffa igen, men kvävekoncentrationen kommer att vara större än vätekoncentrationen:
Men det är möjligt att "skeva" systemet till vänster sida på ett annat sätt - genom att "ljusa" höger sida, till exempel genom att ta bort ammoniak från systemet när det bildas. Således kommer den direkta reaktionen av ammoniakbildning åter att dominera.
Ändra temperaturen
Den högra sidan av vår "våg" kan ändras genom att ändra temperaturen. För att vänster sida ska "uppväga" är det nödvändigt att "ljusa" höger sida - minska temperaturen:
Ändra trycket
Det är möjligt att rubba jämvikten i ett system genom att endast använda tryck i reaktioner med gaser. Det finns två sätt att öka trycket:
- minska systemets volym;
- införande av inert gas.
När trycket ökar ökar antalet molekylära kollisioner. Samtidigt ökar koncentrationen av gaser i systemet och hastigheterna för framåt- och bakåtreaktioner förändras - jämvikten störs. För att återställa balansen "försöker" systemet minska trycket.
Under syntesen av ammoniak bildas två molekyler ammoniak av 4 molekyler kväve och väte. Som ett resultat minskar antalet gasmolekyler - trycket sjunker. Som en konsekvens, för att nå jämvikt efter ökat tryck, ökar hastigheten för framåtreaktionen.
Sammanfatta. Enligt Le Chateliers princip kan ammoniakproduktionen ökas genom:
- öka koncentrationen av reagens;
- minskning av koncentrationen av reaktionsprodukter;
- sänkning av reaktionstemperaturen;
- öka trycket vid vilket reaktionen sker.
