Хімічний рівновага: Принцип Лєшєтьє та реакційний коефіцієнт

Рівновага – це баланс швидкостей, а не зупинка

Змінний процес, A + B ⇌ C + D, ніколи справді не припиняється на рівновазі — обидва процеси вперед і назад все ще відбуваються, але з абсолютно однаковими швидкостями, тому виміряні концентрації більше не змінюються. Це динамічна рівновага, яка описується константою рівноваги K, співвідношення концентрацій продуктів до концентрацій реагентів (кожен піднесений до стехіометричного коефіцієнта) після того, як швидкості збалансовані.

for a A + b B  <=>  c C + d D
K = [C]^c * [D]^d / ([A]^a * [B]^b)      (at equilibrium)
Q = [C]^c * [D]^d / ([A]^a * [B]^b)      (at any moment, same formula)
Q < K  -> reaction shifts forward (toward products)
Q > K  -> reaction shifts backward (toward reactants)
Q = K  -> at equilibrium, no net shift

Рівняння реакції визначає напрямок зміни системи при її порушенні

Q, рівноважне значення, має такий самий алгебраїчний вигляд, як і K, але використовує поточні концентрації реагентів і продуктів, навіть за відсутності рівноваги. Порівняння Q з K дозволяє передбачити напрямок зміни без розв’язування кінетичних рівнянь: якщо Q менше K, то реакція у напрямку утворення продуктів домінує, поки Q не стане рівним K; якщо Q більше K, то реакція у напрямку утворення реагентів домінує, поки Q не повернеться до значення, що відповідає K. Принцип Ля Челятієвого просто задовольняє цю порівняльну оцінку Q та K як швидкий спосіб прогнозування.

Принцип Ля Челя (Le Chatelier) як реакція на стрес

Закономерність Ля Челя (Le Chatelier) стверджує, що якщо систему в рівновазі порушити, вона зміщується у напрямку, який частково нейтралізує це порушення. Додавання реагенту знижує Q нижче K, і система зсувається вперед, споживаючи деякий надлишок реагенту. Видалення продукту також знижує Q нижче K, змушуючи реакцію зміщуватися вперед для заміни видаленого продукту. Збільшення тиску на газовій рівновазі призводить до зсуву системи у напрямку з меншою кількістю моль газів, оскільки це зменшує загальну кількість молів і протидіє стисненню.

Різниця температур: це змінює K само по собі

Зміни концентрації та тиску зміщують Q у порівнянні з фіксованим K, і система повертається до стану, коли Q = K. Температура є виключенням – зміни її фактично змінюють значення K. Для екзотермічної реакції (виділяє тепло), підвищення температури зміщує рівновагу в бік реагентів, оскільки тепло можна розглядати як продукт, який додається; K само по собі зменшується. Для ендотермічної реакції підвищення температури збільшує K і зміщує рівновагу в бік продуктів. Саме тому температура є єдиним механізмом, який змінює саму позицію рівноваги, а не просто відхиляє систему від незмінної рівноваги.

Відстеження цього з використанням таблиці ICE

Таблиця ICE (Початкова, Зміна, Рівновага) є стандартним інструментом обліку: запишіть початкові концентрації, виразіть зміну кожного виду як крат одного невідомого x, пов’язаного стехіометрією, та додайте дві рядки, щоб отримати рядок рівноваги в термінах x. Підставляючи цей рядок рівноваги у вираз K, отримано одну алгебраїчну рівняння в x, яке, вирішивши, повертає кожну концентрацію рівноваги одночасно.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Chemical Equilibrium і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.