Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Ярошенко

§ 10. Умови зміщення хімічної рівноваги оборотних процесів на основі принципу Ле Шательє

Інформаційна довідка

• Ендотермічні реакції відбуваються з поглинанням теплоти, екзотермічні — з виділенням її в навколишнє середовище.

• Тепловий ефект хімічної реакції — це кількість теплоти, що виділяється або поглинається під час хімічної реакції. Одиницями вимірювання теплового ефекту реакцій є джоулі (Дж).

• Тепловий ефект реакції позначають ΔΗ. Екзотермічні реакції мають від'ємне значення ΔΗ. Воно вказує, на скільки джоулів зменшилася внутрішня енергія продуктів реакції порівняно з внутрішньою енергією реагентів. Екзотермічними реакціями є всі реакції горіння.

• В ендотермічних реакцій ΔΗ має додатне значення, тому що внутрішня енергія продуктів реакції збільшується, порівняно з внутрішньою енергією реагентів. Ендотермічними реакціями є реакції розкладу карбонатів, нерозчинних основ та інші.

• Термохімічне рівняння — це хімічне рівняння, у якому зазначено тепловий ефект реакції.

• Каталізатор — речовина, що підвищує швидкість хімічної реакції, залишаючись після реакції в хімічно незмінному стані.

• Концентрація — кількісна характеристика вмісту певного компонента в суміші. Кількість компонента в суміші може бути виражена в різних одиницях (кількість речовини, маса, об'єм, число хімічних частинок), тому існують різні способи вираження концентрації. Один з них — масова частка речовини в суміші, наприклад, масова частка розчиненої речовини в розчині.

• Швидкість хімічної реакції — це величина, що визначається як зміна кількості речовини реагенту чи продукту реакції, віднесена до одиниці часу (с) й одиниці об'єму (л).

У попередньому параграфі ви дізналися про оборотні реакції та стан динамічної рівноваги в них. Якщо в замкнутому просторі оборотна реакція перебуває в стані хімічної рівноваги, пряма і зворотна реакції ні на мить не припиняються, проте відбуваються вони без будь-яких зовні спостережуваних змін.

Оскільки основу виробництва значної кількості промислово важливих речовин становлять оборотні реакції, то існує потреба у зміщенні їхньої динамічної рівноваги в бік утворення продуктів реакції.

ПРИНЦИП ЛЕ ШАТЕЛЬЄ. Оборотну реакцію нескладно вивести зі стану динамічної рівноваги. Рівновага на певний час порушується, якщо змінюються концентрація реагентів чи продуктів реакції, температура, тиск (для реакцій, що відбуваються зі зміною об'єму систем). Проте через певний час швидкості прямої і зворотної реакцій зрівнюються і знову встановлюється рівновага.

У 1884 р. французький учений Ле Шательє виявив закономірність впливу зовнішніх умов на динамічну рівновагу оборотних хімічних реакцій. Нині вона відома в науці як принцип Ле Шательє, що визначає вплив конкретних чинників на зміщення динамічної рівноваги оборотних реакцій:

якщо на систему, яка перебуває в хімічній рівновазі, вчинити зовнішній вплив, що порушує її, то рівновага зміщуватиметься в напрямку процесів, які протидіють цьому впливу і послаблюють його.

Як уже було зазначено, зміщення триватиме доти, доки не встановиться нова рівновага.

Біографічна довідка

Анрі Луї Ле Шательє (1850-1936) — видатний французький хімік і фізик. У 1872 р. закінчив Політехнічну школу (Париж) й отримав диплом інженера. У 1876 р. обійняв посаду професора загальної хімії в Гірній школі, де займався дослідницькою діяльністю, у результаті якої теоретично обґрунтував важливі для металургії і теплотехніки розрахунки, пов'язані з горінням і виділенням теплоти. Визначив чинники, від яких залежать рівноважні процеси хімічних реакцій, відомі в науці як принцип Ле Шательє. Результати його досліджень будівельних матеріалів (бетону, цементу, гіпсу, кераміки, скла) мають дотепер практичне значення.

Ле Шательє

Окрім проведення досліджень Ле Шательє читав лекції студентам, керував дипломними роботами і докторськими дисертаціями, брав участь у державних комісіях. Дослідження Ле Шательє високо оцінені у Франції та за її межами.

ВПЛИВ КОНЦЕНТРАЦІЇ НА ЗМІЩЕННЯ ХІМІЧНОЇ РІВНОВАГИ ОБОРОТНИХ ПРОЦЕСІВ. Уводячи додаткові кількості однієї з речовин, тобто збільшуючи її концентрацію, досягають зміщення рівноваги в напрямку реакції, у якій ця речовина є реагентом. Наприклад, якщо після встановлення хімічної рівноваги в оборотній реакції азоту з воднем додати нову порцію азоту (тобто збільшити концентрацію одного з реагентів прямої реакції), то внаслідок цього зовнішнього впливу хімічна рівновага зміститься в бік прямої реакції:

N2 + 3H2 2NH3.

Станеться це тому, що пряма реакція згідно з принципом Ле Шательє послаблює спричинений зовнішній вплив — зменшує концентрацію азоту.

Якщо ж у цій самій реакції після встановлення хімічної рівноваги ввести додаткову порцію амоніаку, це також призведе до порушення рівноваги, проте зміститься вона в напрямку перебігу зворотної реакції — амоніак почне розкладатися на азот і водень, і його вміст у системі зменшуватиметься. Натомість концентрації азоту та водню збільшуватимуться, доки система не досягне рівноважного стану.

Підвищення вмісту (концентрації) реагентів зміщує рівновагу оборотних реакцій у напрямку прямої реакції, тобто утворення продуктів реакції. Підвищення вмісту (концентрації) продуктів реакції зміщує рівновагу оборотних реакцій у напрямку зворотної реакції, тобто утворення реагентів.

ВПЛИВ ТИСКУ НА ЗМІЩЕННЯ ХІМІЧНОЇ РІВНОВАГИ ОБОРОТНИХ ПРОЦЕСІВ (стосується лише речовин у газоподібному агрегатному стані). Якщо в оборотній реакції реагенти і продукти реакції перебувають у газоподібному агрегатному стані, то зміщення рівноваги можна досягти зміною тиску в системі.

Підвищення тиску зміщує рівновагу оборотної реакції в бік утворення менших об'ємів речовин, а зниження — у бік утворення більших об'ємів речовин.

У розглянутій реакції азоту з воднем усі речовини газоподібні, в реакцію вступають 1 об'єм азоту і 3 об'єми водню (разом 4 об'єми), а після реакції утворюються 2 об'єми амоніаку.

Рівняння свідчить про те, що реакція відбувається зі зменшенням об'єму (4V > 2V), тому збільшення тиску змістить рівновагу в бік утворення меншого об'єму речовин — у бік утворення продукту прямої реакції (амоніаку). На певний час (до настання нової хімічної рівноваги) швидкість прямої реакції зросте, а коли обидві швидкості зрівняються, знову встановиться динамічна рівновага.

Тиск не впливає на стан рівноваги оборотних реакцій, у процесі яких об'єми газоподібних речовин не змінюються, наприклад, рівновагу оборотної реакції

за допомогою зміни тиску змістити не вдасться.

ВПЛИВ ТЕМПЕРАТУРИ НА ЗМІЩЕННЯ ХІМІЧНОЇ РІВНОВАГИ ОБОРОТНИХ ПРОЦЕСІВ. Якщо в оборотній реакції взаємодія речовин відбувається з виділенням або поглинанням теплоти, то зміщення рівноваги можна досягти, змінюючи температуру.

У результаті підвищення температури рівновага зміщуватиметься в бік ендотермічного процесу, тобто в бік реакції, що відбувається з поглинанням теплоти. У разі зниження температури рівновага зміщуватиметься в напрямку реакції, яка протидіє охолодженню.

Розглянемо цю закономірність на прикладі екзотермічної реакції синтезу амоніаку із азоту та водню:

N2 + 3H2 ⇄ 2NH3; ΔΗ = -92 кДж.

Оскільки пряма реакція відбувається з виділенням 92 кДж теплоти, то підвищення температури системи сприятиме перебігу реакції з поглинанням теплоти, у даному випадку зворотної. Це спричинить зміщення рівноваги в бік утворення реагентів — водню та азоту. Зниження температури, навпаки, змістить рівновагу в бік утворення продукту реакції — амоніаку, тобто прискорить пряму реакцію.

Реакція азоту з воднем є екзотермічною реакцією, тобто відбувається з виділенням теплоти, тому підвищення температури не сприяє утворенню продукту прямої реакції, тобто амоніаку. Навпаки, рівновага оборотної реакції розкладу кальцій карбонату в результаті підвищення температури зміщується в напрямку утворення продуктів реакції — негашеного вапна і вуглекислого газу.

У реакціях, які відбуваються без помітного теплового ефекту, зміна температури не спричинює зміщення рівноваги. У цьому випадку підвищення температури лише прискорює встановлення рівноваги.

Багато хімічних перетворень відбуваються за участю каталізаторів, до використання яких вдаються з метою збільшення швидкості хімічної реакції. Чи впливають каталізатори на зміщення хімічної рівноваги? Ні, тому що вони однаково прискорюють і пряму, і зворотну реакції. Тобто вони лише пришвидшують настання динамічної рівноваги, але не зміщують її.

Сторінка ерудита

За розглянутою у параграфі оборотною реакцією між азотом і воднем здійснюється промислове виробництво амоніаку. Він необхідний у великій кількості для виробництва інших речовин. Здавалося б, сировини для такого виробництва достатньо, адже повітря на 78 % складається з азоту, водень можна добути, розкладаючи електричним струмом воду, а також деякими іншими способами. Проте цю нескладну, на перший погляд, реакцію майже 100 років не могли здійснити у промислових масштабах. А все тому, що вона каталітична, екзотермічна, оборотна. Пошуки умов синтезу амоніаку проводилися з метою з'ясувати, яку речовину можна застосувати як каталізатор, що прискорюватиме реакцію, а сам не взаємодіятиме з воднем, азотом, амоніаком; який тиск створювати й підтримувати в колоні синтезу — основному апараті виробництва амоніаку; яка температура є оптимальною для прискорення швидкості хімічної реакції (з 9 класу вам відомо, що нагріванням на кожні 10 °С збільшують швидкість реакції у 2-4 рази) і допустимою для того, щоб рівновага цієї екзотермічної оборотної реакції не була суттєво зміщена в напрямку зворотної реакції. Як ви зрозуміли, це було не просте завдання, тому його розв'язання й тривало так довго.

За розроблення наукових основ виробництва амоніаку з урахуванням принципу Ле Шательє німецькому вченому Фріцу Габеру (1868-1934) була присуджена у 1918 р. Нобелівська премія з хімії.

Знаємо, розуміємо

  • 1. Чим оборотні реакції відрізняються від необоротних?
  • 2. Що в рівнянні оборотної реакції означає ліва частина, а що — права?
  • 3. Чому стан хімічної рівноваги в оборотних реакціях дістав назву «динамічний стан»?
  • 4. Під впливом яких чинників зміщується хімічна рівновага оборотних реакцій?
  • 5. На які оборотні реакції тиск впливає, а на які — ні? Як зміщується рівновага тих оборотних реакцій, рівновагу яких можна зміщувати під впливом тиску?
  • 6. Як зміщується рівновага оборотних реакцій зі зміною концентрації: а) реагенту; б) продукту реакції?
  • 7. Як зміна температури позначається на ендотермічних та екзотермічних оборотних реакціях?

Застосовуємо

  • 1. Укажіть рівняння оборотних реакцій, рівновагу яких можна зміщувати у бік утворення продуктів реакції за допомогою збільшення тиску.

А Н2 + I2 ⇄ 2НІ

Б 3О2 ⇄ 2О3

В С2Н4 + Н2 ⇄ С2Н6

  • 2. Як вплине збільшення концентрації вуглекислого газу на перебіг оборотної реакції:

CO + Н2О ⇄ СО2 + Н2?

  • 3. Як вплине підвищення температури на стан рівноваги в реакціях:

2SO2+ О2 2SO3; ΔН = -192 кДж;

Fe3O4 + 4СО ⇄ 3Fe + 4СО2; ΔН = +43,7 кДж.

  • 4. Доберіть умови, за яких можна змістити хімічну рівновагу оборотної реакції в напрямку прямої реакції.

СО2 (газ) + Н2 (газ) ⇄ СО(газ) + Н2О (газ); ΔН = - 41 кДж

А підвищити тиск

Б знизити температуру

В зменшити концентрацію чадного газу

Г збільшити концентрацію водню

  • 5. Скористайтеся навчальним матеріалом параграфа і висловте судження про значення принципу Ле Шательє в керуванні хімічними процесами на виробництвах.