Genel bir geri bildirim tepkisini ele alalım
Deneysel çalışmalar, denge durumunda aşağıdaki ilişkinin gerçekleştiğini göstermektedir:
(köşeli parantezler konsantrasyonu gösterir). Yukarıdaki oran, kütle eylemi yasasının veya kimyasal denge yasasının matematiksel bir ifadesidir; buna göre, belirli bir sıcaklıkta kimyasal denge durumunda, reaksiyon ürünlerinin konsantrasyonlarının ürünü güçlerde, göstergelerde
reaksiyonun stokiyometrik denklemindeki karşılık gelen katsayılara eşit olan, karşılık gelen güçlerde reaktanların konsantrasyonlarının benzer bir ürününe bölünen sabit bir değerdir. Bu sabite denge sabiti denir. Denge sabitinin ürünlerin ve reaktanların konsantrasyonları cinsinden ifadesi, çözeltilerdeki reaksiyonlar için tipiktir.
Denge sabiti ifadesinin sağ tarafının yalnızca çözünmüş maddelerin konsantrasyonlarını içerdiğine dikkat edin. Reaksiyona katılan saf katılar, saf sıvılar, çözücüler ile ilgili terimleri sabit oldukları için içermemelidir.
Gazları içeren reaksiyonlar için denge sabiti, gazların konsantrasyonları cinsinden değil, kısmi basınçları cinsinden ifade edilir. Bu durumda denge sabiti sembolü ile gösterilir.
Bir gazın konsantrasyonu, ideal gaz hal denklemi kullanılarak basıncı cinsinden ifade edilebilir (bkz. Bölüm 3.1):
Bu denklemden aşağıdaki gibidir
[gaz] olarak gösterilebilen gaz konsantrasyonu nerede. sabit bir değer olduğundan, bunu belirli bir sıcaklıkta yazabiliriz.
Hidrojen ve iyot arasındaki reaksiyon için denge sabitini bu gazların kısmi basınçları cinsinden ifade edelim.
Bu reaksiyonun denklemi şu şekildedir:
Bu nedenle, bu reaksiyonun denge sabiti şu şekilde verilir:
Ürünlerin, yani kimyasal denklemin sağ tarafında belirtilen maddelerin konsantrasyonlarının veya kısmi basınçlarının her zaman bir pay oluşturduğuna ve reaktiflerin, yani maddelerin konsantrasyonlarının veya kısmi basınçlarının her zaman bir pay oluşturduğuna dikkat edelim. kimyasal denklemin sol tarafında gösterilen, her zaman denge sabiti ifadesinin paydasını oluşturur.
Denge sabiti için birimler
Denge sabiti, matematiksel ifadesinin türüne bağlı olarak, boyutlu veya boyutsuz bir nicelik olabilir. Yukarıdaki örnekte denge sabiti boyutsuzdur çünkü kesrin pay ve paydası aynı boyutlara sahiptir. Aksi takdirde, denge sabiti, konsantrasyon veya basınç birimleriyle ifade edilen bir boyuta sahiptir.
Aşağıdaki reaksiyon için denge sabitinin boyutu nedir?
Bu nedenle, boyuta sahiptir (mol-dm-3)
Yani, dikkate alınan denge sabitinin boyutu veya dm3/mol.
Aşağıdaki reaksiyon için denge sabitinin boyutu nedir?
Bu reaksiyonun denge sabiti, ifade ile belirlenir.
Bu nedenle, boyuta sahiptir.
Yani, bu denge sabitinin boyutu: atm veya Pa.
heterojen denge
Buraya kadar sadece homojen denge örnekleri verdik. Örneğin, hidrojen iyodür sentezi reaksiyonunda, hem ürün hem de her iki reaktan gaz halindedir.
Heterojen bir dengeye yol açan bir reaksiyon örneği olarak, kalsiyum karbonatın termal ayrışmasını düşünün.
Bu reaksiyonun denge sabiti şu şekilde verilir:
Bu ifadenin, reaksiyonda yer alan iki katıya atıfta bulunan herhangi bir terim içermediğine dikkat edin. Gösterilen örnekte, denge sabiti kalsiyum karbonatın ayrışma basıncıdır. Kalsiyum karbonat kapalı bir kapta ısıtılırsa, sabit bir sıcaklıkta ayrışma basıncının kalsiyum karbonat miktarına bağlı olmadığını gösterir. Bir sonraki bölümde, denge sabitinin sıcaklıkla nasıl değiştiğini öğreneceğiz. İncelenen örnekte, ayrışma basıncı yalnızca yukarıdaki bir sıcaklıkta 1 atm'yi aşmaktadır.Bu nedenle, dioksit için
sabit (lat. constans'tan, cins n. Constantis - sabit, değişmemiş), - belirli bir teoride böyle bir nesne, anlamı bu teoride (veya bazen daha dar bir değerlendirmede) her zaman aynı kabul edilir. K., değerleri değişen (kendi başlarına veya diğer nesnelerin değerlerindeki değişime bağlı olarak) bu tür nesnelere karşıdır. Birçoğunun ifadesinde K.'nin varlığı. doğa ve toplum yasalarını yansıtır. kalıpların varlığında tezahür eden gerçekliğin belirli yönlerinin değişmezliği. Önemli bir K. çeşidi, fiziksel sayı ile ilgili K.'dir. uzunluk, zaman, kuvvet, kütle (örneğin, bir elektronun durağan kütlesi) gibi nicelikler veya bu K'ler arasındaki oranlar veya hacim, hız, iş gibi güçleri cinsinden sayısal olarak ifade edilen daha karmaşık nicelikler, vb. (örneğin, Dünya yüzeyinde yerçekimi ivmesi). Bu türden K.'dan olanlar, çavdardan modern olarak kabul edilir. evrenin tüm gözlemlenebilir kısmıyla ilgili fizik (ilgili teorileri çerçevesinde) olarak adlandırılır. dünya (veya evrensel) K.; Bu tür kuantum örnekleri, boşluktaki ışığın hızı, Planck'ın kuantum sabiti (yani, sözde eylem kuantumunun değeri), yerçekimi sabiti ve diğerleridir. 20. yüzyıl Aynı zamanda bazı yabancı bilim adamları (İngiliz fizikçi ve astronom A. Eddington, Alman fizikçi Heisenberg, Avusturyalı fizikçi A. March vb.) onları idealist göstermeye çalıştı. tercüme. Böylece Eddington, dünya k sisteminde kendi kendine yeterliliğin tezahürlerinden birini gördü. ideal matematiksel varlığı Doğanın ve yasalarının uyumunu ifade eden formlar. Aslında, evrensel K. hayali bir kendi kendine yeterliliği yansıtmaz. belirtilen biçimlerin (şeylerin ve bilişin dışında) varlığı ve (genellikle matematiksel olarak ifade edilir) nesnel gerçekliğin temel düzenlilikleri, özellikle, maddenin yapısıyla ilişkili düzenlilikler. derin diyalektik dünya kuantum mekaniğinin anlamı, bazılarının (Planck'ın kuantum sabiti, boşluktaki ışığın hızı), temelde farklı şekillerde ilerleyen çeşitli süreç sınıflarını sınırlayan bir tür ölçek olduğu gerçeğinde ortaya çıkar; aynı zamanda, böyle bir K., belirli bir kişinin varlığını gösterir. bu sınıfların fenomenleri arasındaki bağlantılar. Yani, klasik yasalar arasındaki bağlantı. ve göreli mekanik (bkz. Görelilik teorisi), göreli mekaniğin hareket denklemlerinin klasik hareket denklemlerine böylesine sınırlayıcı bir geçişinin değerlendirilmesinden kurulabilir. boşlukta ışık hızı fikrinin sonlu bir K olarak reddedilmesinden oluşan idealleştirme ile ilişkili mekanik. ve ışık hızının sonsuz büyük olduğunu anlamakta; eylem kuantumunu sonsuz küçük bir nicelik olarak ele almayı içeren başka bir idealleştirmeyle, kuantum teorisinin hareket denklemleri klasik hareket denklemlerine geçer. mekanik vb. Bunlara ek olarak, tamamen fiziksel olarak belirlenen ve birçok temel formülasyonda görünen en önemli K.. doğa yasaları yaygın olarak aynı yerde kullanılır ve tamamen matematiksel olarak tanımlanan K., 0 sayısı olarak; 1; ? (çevrenin çapa oranı); e (doğal logaritma tabanı); Euler sabiti ve diğerleri, iyi bilinen matematiğin sonuçları olan K. da daha az sıklıkla kullanılmaz. Belirtilen K üzerindeki işlemler. Ancak, sık kullanılan K.'yi daha basit tanımlanmış K. (veya 0 ve 1 gibi en basit K.) ve bilinen işlemler aracılığıyla ifade etmek ne kadar zorsa, bunların formülasyonlarına katılımı o kadar bağımsızdır. yasalar ve ilişkiler, to-rykh'de meydana gelir, onun için daha sık bir özel tanıtılır. tanımlayın, hesaplayın veya mümkün olduğunca doğru bir şekilde ölçün. Bazı miktarlar düzensiz olarak ortaya çıkar ve yalnızca belirli bir sorunun değerlendirilmesi çerçevesinde K'dir ve hatta sorunun koşullarının (parametrelerin değerleri) seçimine bağlı olabilirler, yalnızca bu koşullar olduğunda K. olurlar. sabittir. Bu tür K. genellikle C veya K harfleriyle gösterilir (bu atamaları aynı K ile bir kez ve herkes için ilişkilendirmeden) veya basitçe şu ve böyle bir değer \u003d const yazar. A. Kuznetsov, I. Lyakhov. Moskova. Fonksiyonların matematik veya mantıkta incelenen nesnelerin rolünü oynadığı durumlarda, K.'ye, değeri bu fonksiyonların argümanlarının değerlerine bağlı olmayan, bunlar denir. Örneğin, K., x'in bir fonksiyonu olarak x–x farkıdır, çünkü x değişkeninin tüm (sayısal) değerleri için, x–x işlevinin değeri aynı 0 sayısıdır. A argümanının tüm olası değerleri için, (olağan, klasik mantık cebiri çerçevesinde) aynı 1 değerine sahiptir (bu, koşullu olarak onunla tanımlanan "doğru" mantıksal değeri ile karakterize edilir). Mantık cebirinden daha karmaşık bir K. örneği, (AB? BA) işlevidir. Bazı durumlarda değeri sabit olan bir fonksiyon bu değerin kendisiyle tanımlanır. Bu durumda, işlevin değeri zaten bir K. olarak görünür (daha doğrusu K olan bir işlev olarak). Bu işlevin bağımsız değişkenleri, seçilen herhangi bir sabit değişken olabilir (örneğin, A, B, x, y, vb.), çünkü neyse, onlara bağlı değil. Diğer durumlarda, bir anahtar olan bir fonksiyonun bu şekilde tanımlanması, değeri ile yapılmaz, yani. birinin argümanları arasında bir değişkeni olan, diğerinin olmadığı bu iki K. arasında ayrım yapın. Bu, örneğin bir fonksiyonun tablosu olarak tanımlanmasını mümkün kılar ve ayrıca devre şemasını basitleştirir. fonksiyonlar üzerinde belirli işlemlerin tanımı. Değerleri sayı olan (muhtemelen adlandırılmış) veya sayılarla karakterize edilen bu tür sabitlerin yanı sıra başka sabitler de vardır. tüm tam sayıların kümesi negatif değildir. sayılar. K. olan fonksiyonun değeri, herhangi bir nitelikteki bir nesne de olabilir. Örneğin, değerleri doğal dizinin alt kümeleri olan böyle bir A değişkeninin işlevleri göz önüne alındığında, A değişkeninin tüm değerleri için değeri tüm asal sayıların kümesi olan bu işlevlerden biri belirlenebilir. ek olarak fiziksel bazıları K. olduğu ortaya çıkan bu tür nesnelerin rolündeki nicelikler ve işlevler, genellikle (özellikle mantık ve anlambilimde) işaretleri ve bunların kombinasyonlarını dikkate alır: kelimeler, cümleler, terimler, formüller vb. anlamları özel olarak belirtilmeyenler, (varsa) anlamsal anlamları. Aynı zamanda yeni K ortaya çıkar, yani aritmetikte. ifade (terim) 2 + 3–2 K. sadece 2 ve 3 sayıları ve üzerlerindeki işlemlerin sonuçları değil, aynı zamanda değerleri toplama ve çıkarma işlemleri olan + ve - işaretleridir. Bu işaretler, K olmak. teorik olarak Sıradan okul aritmetiği ve cebirinin dikkate alınması, modernin daha geniş alanına girdiğimizde K. olmaktan çıkar. cebir veya mantık, bazı durumlarda + işaretinin, diğer durumlarda (örneğin, mantığın cebirinde) - diğer durumlarda, toplama modulo 2 veya Boolean toplama, diğer durumlarda - başka bir işlem . Bununla birlikte, daha dar düşüncelerle (örneğin, belirli bir cebirsel veya mantıksal sistem oluştururken), işlem işaretlerinin anlamları sabittir ve bu işaretler, değişkenlerin işaretlerinin aksine, K olur. Mantıksal seçim. K., doğadaki nesnelere uygulandığında özel bir rol oynar. dil. mantıksal rolünde K. Rusça. dil, örneğin, "ve", "veya" vb. gibi bağlaçları, "hepsi", "herhangi biri", "vardır", "bazı" vb. is", "essence", "is" vb. yanı sıra "eğer ..., o zaman", "ancak ve ancak eğer", "yalnızca bir tane var", "o" gibi daha karmaşık ifadeler , "öyle ki", "şuna eşdeğer" vb. Mantıksal vurgulama yoluyla. doğada. Dil, çok sayıda çıkarım veya diğer akıl yürütme durumundaki rollerinin benzerliğinin tanınmasıdır; bu, bu durumları, ayırt edilenlerden farklı olan nesnelerin bir veya başka bir tek şemada (mantıksal kural) birleştirilmesini mümkün kılar. ile K. karşılık gelen değişkenlerle değiştirilir. İncelenmekte olan tüm muhakeme durumlarını kapsayabilen şemaların sayısı ne kadar azsa, bu şemaların kendileri o kadar basit olur ve hatalı muhakeme olasılığına karşı ne kadar garantiliysek, görünen mantıksal olanların seçimi o kadar haklı olur. bu şemalarda. İLE. A. Kuznetsov. Moskova. Aydınlatılmış.: Eddington?., Uzay, zaman ve yerçekimi, çev. İngilizceden, O., 1923; Jeans, D., Çevremizdeki evren, çev. İngilizceden, L.–M., 1932; Born M., Gizemli sayı 137, Cts: Uspekhi nat. Sciences, cilt 16, no. 6, 1936; Heisenberg W., Philos. atom fiziği problemleri, M., 1953; kendi, Planck's Discovery ve DOS. Felsefe atom doktriniyle ilgili sorular, "Felsefe Sorunları", 1958, Sayı 11; kendisine ait, Fizik ve Felsefe, M., 1963; Doygunluk. Sanat. matematik tarafından. mantık ve sibernetiğin belirli konularına uygulamaları, içinde: Tr. matematik. in-ta, t.51, M., 1958; Kuznetsov IV, Werner Heisenberg Neyin Doğru Neyin Yanlış, "Felsefe Sorunları", 1958, Sayı 11; Uspensky V. ?., Hesaplanabilir fonksiyonlar üzerine dersler, Moskova, 1960; Kay J. ve Laby T., nat tabloları. ve kimya. kalıcı, çev. İngilizceden, 2. baskı, M., 1962; Kurosh A. G., Lectures on General Algebra, M., 1962; Svidersky V.I., Nesnel dünyada ve bilişte öğelerin ve yapının diyalektiği üzerine, M., 1962, bölüm. 3; ?ddington A. St., Bilimde yeni yollar, Camb., 1935; kendi, Protonların ve elektronların Görelilik teorisi, L., 1936; kendi, Fizik bilimi felsefesi, N. Y.–Camb., 1939; Louis de Broglie, fizikçi ve yazar, P., ; March?., Die physikalische Erkenntnis und ihre Grenzen, 2 Aufl., Braunschweig, 1960.
Denklemle ifade edilen amonyak üretim sürecine geri dönelim:
N 2 (g) + 3H 2 (g) → 2NH 3 (g)
Kapalı bir hacimde olan nitrojen ve hidrojen birleşerek amonyağı oluşturur. Bu süreç ne kadar sürecek? Reaktiflerden herhangi biri bitene kadar olduğunu varsaymak mantıklıdır. Ancak, gerçek hayatta bu tamamen doğru değildir. Gerçek şu ki, reaksiyon başladıktan bir süre sonra ortaya çıkan amonyak nitrojen ve hidrojene ayrışır, yani ters reaksiyon başlar:
2NH 3 (g) → N 2 (g) + 3H 2 (g)
Aslında kapalı bir hacimde aynı anda birbirine zıt iki reaksiyon gerçekleşecektir. Bu nedenle, bu işlem aşağıdaki gibi yazılır:
N 2 (g) + 3H 2 (g) ↔ 2NH 3 (g)
Çift ok, reaksiyonun iki yönde ilerlediğini gösterir. Azot ve hidrojenin birleşmesiyle oluşan tepkimeye denir doğrudan reaksiyon. Amonyağın ayrışma reaksiyonu - ters tepki.
Sürecin en başında doğrudan reaksiyon hızı çok yüksektir. Ancak zamanla reaktiflerin konsantrasyonları azalır ve amonyak miktarı artar - sonuç olarak ileri reaksiyon hızı azalır ve ters reaksiyon hızı artar. Doğrudan ve ters reaksiyon oranlarının karşılaştırıldığı bir zaman gelir - kimyasal denge veya dinamik denge oluşur. Dengede, hem ileri hem de geri reaksiyonlar meydana gelir, ancak hızları aynıdır, bu nedenle değişiklikler fark edilmez.
Denge sabiti
Farklı reaksiyonlar farklı şekillerde ilerler. Bazı reaksiyonlarda, dengenin başlamasından önce oldukça fazla sayıda reaksiyon ürünü oluşur; diğerlerinde çok daha az. Böylece, belirli bir denklemin kendi denge sabitine sahip olduğunu söyleyebiliriz. Reaksiyonun denge sabitini bilmek, kimyasal dengenin meydana geldiği reaktanların ve reaksiyon ürünlerinin nispi miktarını belirlemek mümkündür.
Bazı reaksiyonlar aşağıdaki denklemle açıklansın: aA + bB = cC + dD
- a, b, c, d - reaksiyon denklemi katsayıları;
- A, B, C, D - maddelerin kimyasal formülleri.
Denge sabiti:
[C] c [D] d K = ———————— [A] a [B] b
Köşeli parantezler, formülde maddelerin molar konsantrasyonlarının yer aldığını gösterir.
denge sabiti ne demek?
Oda sıcaklığında amonyak sentezi için K=3.5·10 8 . Bu oldukça büyük bir sayıdır ve amonyak konsantrasyonu kalan başlangıç malzemelerinden çok daha fazla olduğunda kimyasal dengenin oluşacağını gösterir.
Gerçek amonyak üretiminde, teknoloji uzmanının görevi mümkün olan en yüksek denge katsayısını elde etmektir, yani doğrudan reaksiyonun sonuna kadar gitmesi. Bu nasıl başarılabilir?
Le Chatelier ilkesi
Le Chatelier ilkesi okur:
nasıl anlaşılır? Her şey çok basit. Dengeyi bozmanın üç yolu vardır:
- maddenin konsantrasyonunun değiştirilmesi;
- sıcaklığı değiştirmek
- basıncı değiştirmek.
Amonyak sentez reaksiyonu dengede olduğunda, aşağıdaki gibi gösterilebilir (reaksiyon ekzotermiktir):
N 2 (g) + 3H 2 (g) → 2NH 3 (g) + Isı
Konsantrasyonun değiştirilmesi
Dengeli bir sisteme ek miktarda nitrojen katıyoruz. Bu durumda denge bozulur:
İleri reaksiyon, nitrojen miktarı arttığı ve daha fazlası reaksiyona girdiği için daha hızlı ilerlemeye başlayacaktır. Bir süre sonra kimyasal denge tekrar gelecek, ancak nitrojen konsantrasyonu hidrojen konsantrasyonundan daha fazla olacaktır:
Ancak, sistemi başka bir şekilde sol tarafa "çarpmak" mümkündür - örneğin, amonyağı oluşurken sistemden çıkarmak için sağ tarafı "kolaylaştırarak". Böylece, amonyak oluşumunun doğrudan reaksiyonu yine baskın olacaktır.
Sıcaklığı değiştir
"Ölçekimizin" sağ tarafı, sıcaklık değiştirilerek değiştirilebilir. Sol tarafın "ağır basması" için, sıcaklığı azaltmak için sağ tarafı "hafifletmek" gerekir:
Basıncı değiştir
Basınç yardımıyla sistemdeki dengeyi bozmak ancak gazlarla olan tepkimelerde mümkündür. Basıncı artırmanın iki yolu vardır:
- sistemin hacminde bir azalma;
- inert bir gazın tanıtılması.
Basınç arttıkça, moleküler çarpışmaların sayısı artar. Aynı zamanda, sistemdeki gazların konsantrasyonu artar ve ileri ve geri reaksiyonların oranları değişir - denge bozulur. Dengeyi yeniden sağlamak için, sistem basıncı düşürmeye "dener".
4 molekül nitrojen ve hidrojenden amonyağın sentezi sırasında iki amonyak molekülü oluşur. Sonuç olarak, gaz moleküllerinin sayısı azalır - basınç düşer. Sonuç olarak, basınçtaki bir artıştan sonra dengeye ulaşmak için ileri reaksiyon hızı artar.
Özetle. Le Chatelier ilkesine göre, amonyak üretimi şu şekilde artırılabilir:
- reaktiflerin konsantrasyonunun arttırılması;
- reaksiyon ürünlerinin konsantrasyonunun azaltılması;
- reaksiyon sıcaklığının düşürülmesi;
- reaksiyonun meydana geldiği basıncı arttırmak.
