Ліворуч: молекулярний вигляд (червоний=A, синій=B, фіолетовий=C). Праворуч: концентрації до рівноваги.
Хімічна рівновага настає в оборотній реакції, коли швидкості прямої та зворотної реакцій зрівнюються, утворюючи стабільну суміш реагентів і продуктів. Константа рівноваги K_eq — відношення концентрацій продуктів до концентрацій реагентів, кожна у ступені свого стехіометричного коефіцієнта — визначає глибину перебігу реакції. Принцип Ле Шательє стверджує: якщо система, що перебуває у рівновазі, зазнає збурення, вона зміщується у напрямку, що протидіє цьому збуренню і відновлює рівновагу. Цей принцип керує такими промисловими процесами, як синтез аміаку за Габером-Бошем (N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃) та виробництво сірчаної кислоти контактним методом.
Симулятор моделює реакцію A + B ⇌ C, дозволяючи задавати початкові концентрації речовин A і B, константу рівноваги K_eq та температуру. Кнопки дозволяють вносити збурення за принципом Ле Шательє — додавати реагент, видаляти продукт, нагрівати або охолоджувати. Графік концентрація–час показує, як система наближається до нової рівноваги. Індикатор Q/K вказує напрямок поточного перебігу реакції.
Що таке константа рівноваги K_eq?
K_eq — безрозмірне відношення, визначене у стані рівноваги як концентрації продуктів, поділені на концентрації реагентів (кожна у ступені стехіометричного коефіцієнта). Для A + B ⇌ C: K_eq = [C] / ([A][B]). Велике K_eq (≫ 1) означає переважання продуктів; мале K_eq (≪ 1) — переважання реагентів. K_eq залежить лише від температури, а не від початкових концентрацій чи тиску.
Що таке реакційний відношення Q і навіщо він потрібен?
Відношення Q має ту саму форму, що й K_eq, але використовує поточні (нерівноважні) концентрації. Порівняння Q з K показує напрямок зсуву: Q < K — реакція іде вперед (утворюються продукти); Q > K — назад; Q = K — система у рівновазі. Індикатор Q/K у цьому симуляторі робить це порівняння наочним.
Що передбачає принцип Ле Шательє при додаванні реагенту A?
Додавання A збільшує [A], що знижує Q нижче K. Система реагує зсувом рівноваги вправо — споживаючи частину доданого A і B для утворення більшої кількості C — аж поки Q не досягне K. Концентрації всіх трьох речовин змінюються, але сама K_eq залишається незмінною, бо температура не змінилась.
Для екзотермічної реакції (від'ємне ΔH) нагрівання зміщує рівновагу до реагентів і зменшує K_eq — система поглинає додану теплоту через ендотермічну зворотну реакцію. Для ендотермічної реакції (ΔH > 0) нагрівання збільшує K_eq. Кількісний зв'язок описує рівняння Вант-Гоффа: d(ln K)/dT = ΔH/(RT²). У процесі Габера обирається компромісна температура (~450°C): досить висока для практичної швидкості реакції, але ще забезпечує прийнятне K_eq.
Видалення C знижує [C], тому Q = [C]/([A][B]) падає нижче K. Система відновлює рівновагу, виробляючи більше C — зміщуючи реакцію вправо. Це використовується в промисловості: у процесі Габера аміак безперервно відводиться (скраплюється) з реактора, що рухає реакцію вперед попри помірно низьке K_eq за робочих температур.
Підвищення тиску зміщує рівновагу в бік з меншою кількістю молів газу. Для N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ ліва частина має 4 молі газу, права — 2, тому вищий тиск сприяє утворенню аміаку. Для реакцій з рівною кількістю молів газу з обох боків (наприклад, H₂ + I₂ ⇌ 2HI) тиск не впливає на положення рівноваги. Тиск не змінює K_eq для ідеальних газів, але змінює концентрації і, отже, Q.
ICE-таблиця (Initial/Initial — Change/Зміна — Equilibrium/Рівновага) — систематичний спосіб знаходження рівноважних концентрацій. Записуються початкові концентрації, зміна виражається через змінну x (ступінь перебігу реакції), рівноважні концентрації записуються як (початкове ± x), а потім підставляються у вираз для K_eq. Для моделі A + B ⇌ C у цьому симуляторі квадратне рівняння розв'язується аналітично.
Ні. Каталізатор однаково прискорює пряму й зворотну реакції, тому рівновага досягається швидше, але кінцеві рівноважні концентрації і K_eq не змінюються. У процесі Габера залізний каталізатор забезпечує досягнення рівноваги за практичні часові масштаби при 450°C — без нього реакція при цій температурі фактично «заморожена».
Мале K_eq означає, що рівновага знаходиться далеко вліво (з боку реагентів), тому відсоток конверсії — частка реагенту, що перетворюється на продукт — малий. Наприклад, при K_eq = 0,01 і рівних початкових концентраціях конверсія може становити лише кілька відсотків. У промисловості реакції з низькою конверсією часто використовують рециркуляцію: нереагована сировина відділяється і повертається в реактор.
Ферментативні реакції в біології підкоряються тим самим законам рівноваги. Модель Міхаеліса-Ментена будується на швидкій рівновазі між ферментом (E) та субстратом (S), що утворюють комплекс (ES), перш ніж виділяється продукт (P). Аналоги ефекту Ле Шательє виникають тоді, коли метаболічні продукти безперервно споживаються нижчестоячими реакціями, утримуючи Q ≪ K і рухаючи біосинтез вперед.