Поняття про хімічну рівновагу
Багато хімічних реакцій протікають так, що взяті віщо-ства цілком перетворюються за даних умов в кінцеві про- дукти реакції, т. Е. Процес йде до кінця. Ці реакції називаючи-ються незворотними. Прикладом такої реакції може служити взаємодія металевого цинку з розчином сірчаної кислоти:
Однак при дуже багатьох хімічних перетвореннях процеси можуть протікати як в прямому, так і в зворотному напрямках. Такі реакції називають оборотними. Так, в замкнутому посудині при температурі 773 К і тиску в 30 МПа між еквівалентні-ми кількостями азоту і водню буде йти реакція
Аміак у міру його накопичення буде розкладатися:
Таким чином, реакція між азотом і воднем протікає об-ритмами, тому при запису її в вигляді рівняння замість знака ра-венства зазвичай ставлять знак оборотності:
Реакція, що йде зліва направо, називається прямою, а що йде справа наліво - зворотною.
Якщо по ходу реакції вимірювати концентрації беруть участь в ній речовин, можна виявити наступні закономірності. На початку реакції концентрація азоту і водню зменшується, а концентрація аміаку зростає, т. Е. Йде пряма реакція. У міру ж збільшення кількості аміаку починає переважати зворотна реакція, т. Е. Його розкладання до вихідних продуктів - азоту і по-огрядний. У початковий момент реакції, коли концентрації результат-них речовин великі, швидкість прямої реакції буде найбільшою, потім вона поступово зменшується. У міру збільшення концентрації-ції продуктів реакції швидкість зворотного процесу буде пропор-нальних збільшуватися. Нарешті, через деякий час настане такий стан, коли швидкості прямої і зворотної реакції стануть рівними. В цьому випадку в посудині будуть знаходитися в певному кількісному співвідношенні всі три компоненти даної хімічної системи. І скільки б ми не витримували цю си-стему при вищевказаних умовах, концентрація аміаку, водо-роду і азоту залишиться незмінною, причому аміаку буде 26,4 об. частки в%, а водню і азоту - 73,6 об. частки в%. Іншими словами, система при даних умовах знаходиться в стані рівноваги.
Необхідно відзначити, що хімічна рівновага слід поні-мати не як стан спокою, а як процес, що йде безперервно з однаковою швидкістю в обох напрямках. При цьому концентрації-ції речовин не змінюються, що і створює видимість спокою. Таке з-стояння називається хімічним динамічною рівновагою.
Оборотні хімічні реакції були вивчені українським вченим Н. Н. Бекетовим (1865), який встановив вплив концентрації-ції реагуючих речовин на напрям і швидкість хімічного процесу. Зокрема, спостерігаючи дію газоподібного водню на солі і оксиди деяких металів, він прийшов до висновку, що витісняють і відновлює дію водню залежить від тиску, під яким знаходиться газ, т. Е. Від маси водню. Таким чином, Бекетов впритул підійшов до формулювання зако-ну діючих мас.
Це формулювання в більш загальній формі була дана пізніше Гульдбергом і Вааге (1867): швидкість хімічної реакції пропорційна чинним масам. Під діючими мас-самі розуміються молярні концентрації речовин, що беруть участь в реакціях.
Якщо позначити концентрації речовин А і В через [А] і [В], то швидкість хімічної реакції відповідно до закону діючих мас можна записати рівнянням
де К константа швидкості хімічної реакції, що показує, яка частка вихідних речовин реагує в одиницю часу.
Дуже часто зустрічаються такі реакції, в яких в елементарний-ном акті бере участь кілька молекул одного і того ж речовини, наприклад
У цьому випадку швидкість реакції виразиться загальною формулою
Як бачимо, в наведеному варіанті концентрація входить в рівнян-ня швидкості в ступеня, різної числовому коефіцієнту химиче-ського рівняння реакції. Таким чином, рівняння (2.35) і (2.36) є математичним виразом закону діючих мас.
Кількісна характеристика стану динамічного хімічного рівноваги може бути виражена через так називає-мую константу хімічної рівноваги, яка легко може бути виведена з наступних міркувань. Для оборотної хімічної реакції типу
швидкість прямої реакції відповідно до закону діючих мас