Химическое равновесие

Равновесие – такое состояние, когда на объект или систему не оказываются никакие воздействия или они взаимно компенсируются. Пожалуй, это самое универсальное понятие. Оно применимо к любой области. Благодаря равновесию мы с вами не падаем при ходьбе и даже не задумываемся о физике этого явления. Популяция одних микроорганизмов контролируется другими для сохранения баланса экосистем. В экономике спрос и предложение регулируют друг друга. Даже горячий чай в кружке стремится к равновесию и принимает температуру окружающей среды. Приведенные примеры нам понятны потому, что мы сталкиваемся с ними в жизни.

Про химическое равновесие в новостях не рассказывают, хотя с ним связаны многие процессы на производствах. Настало время познакомиться с этим явлением, узнать, как устанавливается химическое равновесие, и какие факторы могут его смещать.

Что такое химическое равновесие в химии

Прежде чем перейти к понятию равновесия, вспомним виды химических реакций. Если в результате взаимодействия образуются конечные вещества, которые не взаимодействуют друг с другом, то реакция протекает только в одну сторону и называется необратимой:

2H2 (г)  + O2 (г) → 2H2O (г)

К нашему счастью, вода без дополнительного воздействия не может распадаться на составляющие, иначе на планете существовала бы какая-то другая форма жизни, но не мы.  

Если при одинаковых условиях продукты реакции вступают во взаимодействие друг с другом с образованием исходных веществ, то реакция – обратимая. Она одновременно протекает в обе стороны, поэтому обозначается двумя стрелками в разных направлениях:

H2 (г) + I2 (г) ⇆ 2HI (г)

Процесс напоминает круговорот: из реагентов образуется новое вещество, которое в свою очередь распадается на исходные компоненты. Чем концентрированнее реагенты, тем быстрее протекает процесс. По мере расходования веществ скорость протекания реакций снижается и достигается химическое равновесие — состояние обратимой реакции, при котором скорости прямой и обратной реакций становятся равными, а концентрация и прочие параметры системы не меняются. Графически процесс выглядит следующим образом:

Для расчета химического равновесия используется константа равновесия. Она определяется через концентрации всех веществ в реакции. 

Для системы  aA + bB ⇆ cC + dD она вычисляется по формуле:

[A], [B], [C], [D] – концентрации веществ в равновесном состоянии,

a, b, c, d – коэффициенты.

Полезная информация о химическом равновесии

Кратко представим некоторые факты о химическом равновесии в таблице.

Факт о химическом равновесии	Подробности
Принцип Ле Шателье применим не только в химии	Он верен для равновесия любой природы
Изменение давления не оказывает никакого эффекта на системы без газа	Только газы меняют свой объем и концентрацию при колебаниях давления
Катализатор не влияет на равновесие	Он может лишь ускорить процесс взаимодействия веществ

Принцип Ле Шателье

В состоянии химического равновесия энергозатраты становятся минимальными. Все работает без лишних усилий. Неудивительно, что к такому балансу стремятся все замкнутые системы. Возьмем нас с вами. Когда мы здоровы, все процессы организма функционируют самостоятельно и не требуется никаких лекарств или процедур. Однако стоит промочить ноги в слякоть и простудиться, как температура тела повышается, а лимфоциты вступают в жестокую схватку с вирусами. Наш организм делает все, чтобы избавиться от «непрошеного гостя» и вернуться в равновесие к нормальным показателям здоровья. 

Примерно то же самое происходит в обратимых реакциях, когда покушаются на их состояние гармонии и покоя. Система стремится нейтрализовать внешние дестабилизирующие факторы: скорости протекания реакций меняются до тех пор, пока не будет достигнуто новое равновесие. Помимо скоростей меняются и другие параметры, например количество веществ или температура, и происходит сдвиг равновесия. 

В 1884 году французский химик Ле Шателье объяснил поведение системы при изменении условий и сформулировал принцип динамического равновесия, названный впоследствии в его честь.

Если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействуют извне, то равновесие смещается в сторону, обратную этому воздействию.  

Ле Шателье не единственный автор концепции динамического равновесия. Независимо от француза, в 1887 году этот же принцип сформулировал немецкий физик Браун. Поэтому в некоторых источниках принцип назван именами обоих ученых: Ле Шателье–Брауна.

Факторы, влияющие на смещение химического равновесия

Вывести из равновесия можно что угодно и кого угодно, необходимо лишь найти правильный раздражитель. Папа рассердится из-за двойки в дневнике сына, а маме и сломанного ногтя достаточно для расстройства. Сдвинуть химическое равновесие под силу нескольким факторам: 

• концентрации;
• давлению;
• температуре.

Заметим: наличие катализатора не влияет на равновесие, но способствует более быстрому его достижению за счет увеличения скорости протекания реакции.

Рассмотрим перечисленные факторы по отдельности, чтобы не запутаться.

Концентрация

Представьте, что вы пришли на почту отправить посылку. Работают три окна. Около первого стоит пять человек, около второго три, а третье – только открылось и к нему очереди нет. К какому окошку вы пойдете? Очевидно, что к пустому. Если все окна заняты, то вы пойдете туда, где очередь короче.

При изменении концентрации веществ в химической реакции, равновесие смещается, как и люди на почте, туда, где этих веществ меньше, чтобы восстановить баланс.

Увеличение концентрации исходных веществ сдвигает равновесие в сторону продукта, а увеличение количества продукта — в сторону исходных веществ.

CH4 (г) + H2O (г) ⇆ CO (г) + 3H2 (г)

При добавлении водорода равновесие сдвинется в сторону исходных веществ (влево): потребуется больше метана и воды для образования такого количества водорода, но при увеличении концентрации метана, сдвиг будет в сторону продукта (вправо).

Простыми словами, сдвиг происходит туда, где вещества меньше:

• если добавляем что-то в одну часть уравнения, то сдвиг – в другую;
• если удаляем, то сдвиг туда, откуда удалили. 

Пример уравнения

CH3OH (ж) +C2H5COOH (ж)  ⇆ C2H5COOCH3 (ж) +H2O (ж)

Сместить химическое равновесие в направлении исходных реактивов поможет:

• снижение CH3OH или C2H5COOH;
• добавление H2O или C2H5COOCH3.

Давление

Изменение давления влияет только на газы: твердые и жидкие вещества практически не меняют свой объем и концентрацию от его воздействия. Молекулы газов расположены на большом расстоянии друг от друга. При повышении давления газы сжимаются, увеличивается их плотность, поэтому они стремятся перейти туда, где больше места. 

Представьте, что вы и еще сто человек стоите в комнате. Вдруг стены комнаты стали сжиматься. Куда вы побежите? Прочь в другое помещение или на улицу, где много места и свободно. Также поступают и газы.

Повышение давления смещает равновесие в сторону меньшего объема газов, снижение — в сторону большего объема.

Рассмотрим образование серного ангидрида из диоксида серы и кислорода:

2SO2 (г) + O2 (г) ⇄ 2SO3 (г) + Q

Сначала вычислим количество молей газа в каждой части уравнения. 

Слева 3 моль: 2 диоксида серы и 1 кислорода. Справа — 2.

Увеличим давление. Согласно Ле Шателье равновесие переместится к продукту, в сторону серного ангидрида, где молей меньше. При понижении давления эффект противоположный – сдвиг произойдет в обратном направлении.

При равном количестве молей газа в обеих частях уравнения равновесие не сместится:

2HI (г) ⇄ H2 (г) +I2 (г)

Пример уравнения

Рассмотрим реакцию получения окиси железа из пирита:

4FeS2 (тв) +11O2 (г) ⇄ 2FeO3 (тв) + 8SO2 (г)

Слева 11 моль, справа — 8. Твердые вещества не учитываем

Рост давления сместит равновесие влево, где веществ меньше.

Температура

Химические процессы всегда сопровождаются физическими явлениями. Реакция с выделением тепла называется экзотермической, с поглощением — эндотермической. 

Температура, как и описанные выше факторы, тоже влияет на равновесие.

Вспомните себя в знойный день. Когда на улице +40, куда вы прячетесь от жары? Правильно, в тенек, а лучше – поближе к кондиционеру. Зимой, когда мороз рисует на окнах узоры и показания термометра опускаются до -40, хочется укутаться в теплый плед, сесть у камина или возле батареи и пить горячее какао.

Повышение температуры смещает равновесие в сторону эндотермической реакции, снижение – в сторону экзотермической.

Иными словами: становится прохладно – двигаемся в ту часть реакции, где выделяется тепло, а если становится жарко – в «прохладную» часть.

Кислотный гидролиз изопропилового эфира пропионовой кислоты происходит с поглощением тепла:

CH3CH2COOCH(CH3)2 (ж) + H2O (ж) ⇄ CH3CH2COOH (ж) + (CH3)2CHOH (ж) — Q

Повышение температуры приведет к смещению в сторону прямой реакции — туда, где прохладнее.

Пример уравнения

Получение трихлорида железа происходит в результате взаимодействия хлористого железа и хлора:

2FeCl2 (тв) + Cl2 (г) ⇄ 2FeCl3 (тв) +Q

В правой части выделяется тепло, поэтому повышение температуры смещает химическое равновесие в сторону обратной реакции.

Задачи по теме «Химическое равновесие»

Попробуйте самостоятельно решить несколько задач для закрепления материала.

Задача 1

Для каждого уравнения определите направление смещения химического равновесия при понижении давления:

1. I2 (г) + 5CO2 (г) ⇄ I2O5 (г) + 5CO (г)
2. C2H2 (г) + 2H2 (г) ⇄ C2H6 (г)
3. NF3 (г) + 3H2 (г) ⇄ 6HF (г) +N2 (г)
4. ZnCl2 (ж) + H2O (ж) ⇄ Zn(OH)Cl (ж) + HCl (ж)

Задача 2

Укажите все способы смещения химического равновесия в сторону обратной реакции: C4H10 (г) ⇄ C4H6 (г) + 2H2 (г) — Q 

Задача 3

Как повлияет на равновесие в системе

Fe2O3 (тв) + 3CO (г) ⇄ 2Fe (тв) +3CO2 (г) — Q

1. рост температуры;
2. добавление Fe;
3. понижение давления

Ответы к задачам

Сверьте ваши результаты с правильными ответами.

Задача 1

1. Не изменится. Количество моль атома одинаковое в обеих частях
2. Сместится в сторону обратной реакции
3. Сместится в сторону прямой реакции
4. Не изменится, газы отсутствуют

Задача 2

1. Увеличить концентрацию C4H6  или H2
2. Понизить температуру
3. Повысить давление

Задача 3

1. Сместится в сторону продуктов реакции
2. Сместится в сторону обратной реакции
3. Не изменится

Популярные вопросы и ответы

Отвечает Татьяна Архипова, онлайн-репетитор, учитель Ликино-Дулевского лицея, эксперт по подготовке к ЕГЭ и ОГЭ по химии, биологии и географии: