Равновесие. Константа равновесия – мера глубины протекания химических процессов. Использование термодинамических активностей веществ для выражения константы равновесия в различных системах. (Решение → 13578)

Заказ №38770

Равновесие. Константа равновесия – мера глубины протекания химических процессов. Использование термодинамических активностей веществ для выражения константы равновесия в различных системах.

Ответ:

Константа равновесия — величина, определяющая для данной химической реакции соотношение между термодинамическими активностями (либо, в зависимости от условий протекания реакции, парциальными давлениями, концентрациями или фугитивностями) исходных веществ и продуктов в состоянии химического равновесия (в соответствии с законом действующих масс). Зная константу равновесия реакции, можно рассчитать равновесный состав реагирующей смеси, предельный выход продуктов, определить направление протекания реакции. Химические реакции, которые протекают со сравнимыми скоростями в обоих направлениях, называются обратимыми. В таких реакциях образуются равновесные смеси реагентов и продуктов, состав которых далее уже не меняется со временем. Например, при нагревании происходят следующие превращения: У этой равновесной системы есть замечательное свойство: ее состав не зависит от способа получения. Можно нагревать смесь газообразных водорода и йода, а можно взять для опыта чистый HI – результат будет одним и тем же: образуется равновесная смесь трех веществ (H2, I2, HI) одного и того же состава. Для внешнего наблюдателя в такой системе химические превращения не происходят, но на самом деле здесь постоянно идут прямая и обратная реакции. Рассмотрим эту систему с точки зрения химической кинетики. Допустим, для опыта взяли газообразные водород и йод. В первый момент времени еще нет HI, поэтому идет только прямая реакция, скорость которой (vпр) выражается кинетическим уравнением: vпр = k1[H2][I2] Здесь k1 – константа скорости прямой реакции. Постепенно в смеси накапливается продукт реакции HI. Но в этих же условиях йодистый водород с заметной скоростью разлагается на исходные вещества: H2 и I2. В данном конкретном случае кинетические уравнения соответствуют химическим уравнениям прямого и обратного процессов. Скорость обратной реакции (vобр) выражается кинетическим уравнением с константой скорости k2: vобр = k2[HI]2 Когда йодистого водорода образуется уже достаточно много (т.е. когда его концентрация достигнет определенной величины), скорости прямой и обратной реакции выравниваются: vпр = vобр В этом случае говорят, что наступило химическое равновесие. Количество содержащихся в равновесной системе веществ H2, I2 и HI теперь не меняется со временем, если нет внешних воздействий на систему. Химическим равновесием называется такое состояние химической системы, при котором количества исходных веществ и продуктов не меняются со временем. Химическое равновесие носит динамический характер. Например, в приведенной реакции HI постоянно образуется и расходуется. Если добавить в такую равновесную смесь радиоактивный йод-131, то он быстро распределяется между молекулами I2 и HI. Это говорит о постоянном переходе атомов йода из исходного вещества в продукт реакции и обратно. Рассмотрим обратимую гомогенную реакцию, протекающую в закрытой системе при T = const и p = const, в общем виде: aA  bB ⇄ cC  dD. Изменение энергии Гиббса при протекании химической реакции можно определить по формуле: C (A) C (B) C (C) C (D) ΔG ΔG RTln a b c d 0 р и р и       где С(A), С(B), С(C) и С(D)  текущие концентрации веществ. Это уравнение называется изотермой химической реакции или уравнением изотермы Вант-Гоффа. Согласно I постулату термодинамики в определенный момент система самопроизвольно достигнет равновесного состояния. Такое состояние называют химическим равновесием. Химическое равновесие  это динамическое состояние системы, которое характеризуется: 1. Энергетической выгодностью, т.е. минимальным значением и отсутствием изменений энергии Гиббса (G  Gmin, G  0). 2. Постоянством параметров и функций состояния, в том числе концентраций исходных веществ и продуктов реакции. Концентрации веществ, которые устанавливаются при химическом равновесии, называются равновесными концентрациями и обозначаются квадратными скобками, например [A]. Поскольку в состоянии химического равновесия G  0, можем записать: R T lnK [A] [B] [C] [D] ΔG R T ln a b c d 0 р и            . При постоянстве внешних условий отношение равновесных концентраций является величиной постоянной и называется константой равновесия K. Тогда: ΔG R T lnK 0 р и      Заменив натуральный логарифм на десятичный и подставив значение R  8,31103 кДж/мольК, получим: ΔG 0,0191 T lgK 0 р и      или: 0,0191 T ΔG lgK 0 р и     Последнее соотношение позволяет определить равновесный состав системы. Если 0 Gри  0, то K  1 и равновесие устанавливается при практически полном стехиометрическом израсходовании исходных веществ. Если 0 Gри  0, то K  1 и исходные вещества практически не взаимодействуют друг с другом.