Химическо равновесие и създаване на условия за неговото изместване
Изследването на параметрите на системата, включително изходните материали и продуктите от реакцията, ни позволява да разберем кои фактори изместват химическото равновесие и водят до желаните промени. Въз основа на констатациите на Le Chatelier, Brown и други учени за начините на провеждане на обратими реакции се основават индустриалните технологии, които позволяват да се осъществяват преди това невъзможни процеси и да се получават икономически ползи.
Разнообразие от химични процеси
Според особеностите на термичния ефект, много реакции се приписват на екзо- или ендотермична. Първият идва с образуването на топлина, например окисляването на въглерода, хидратирането на концентрирана сярна киселина. Вторият вид промяна е свързана с абсорбцията на топлинна енергия. Примери за ендотермични реакции: разпад калциев карбонат с образование хидратирана вар и въглероден диоксид образуването на водород и въглерод по време на термичното разграждане на метана. В уравненията на екзотермичните и ендотермичните процеси е необходимо да се посочи топлинният ефект. Преразпределението на електрони между атомите на реагиращите вещества се осъществява при окислително-редукционни реакции. Четири вида химични процеси се отличават с характеристиките на реактивите и продуктите:
- съединение А + В = С;
- разлагане на С = А + В;
- заместване AB + C = AC + B;
- обмен AB + SD = AC + VD.
За да се характеризират процесите, пълнотата на взаимодействието на реагиращите съединения е важна. Тази функция е в основата на разделянето на реакциите на обратими и необратими.
Обратимост на реакциите
Обратимите процеси съставляват по-голямата част от химическите явления. Образуването на крайни продукти от реактивите е директна реакция. Обратното, оригиналните вещества се получават от продуктите от тяхното разлагане или синтез. В реакционната смес възниква химическо равновесие, при което се получават толкова съединения, колкото първоначалните молекули се разлагат. В обратими процеси, вместо знака "=" между реактивите и продуктите, се използват символите "“ "или" ⇌ ". Стрелките могат да бъдат неравномерни по дължина, поради преобладаването на една от реакциите. В химическите уравнения може да се посочат агрегативните характеристики на веществата (d - газове, g - течности, t - твърдо вещество). От голямо практическо значение са научно обосновани методи за въздействие върху обратими процеси. По този начин, производството на амоняк става рентабилно след създаването на условия, които изместват равновесието към образуването на целевия продукт: ЗН2 (g) + N2 (g) 2NH3 (g) . Необратимите явления водят до появата на неразтворимо или слабо разтворимо съединение, образуването на газ, който напуска реакционната сфера. Тези процеси включват йонен обмен, разлагане на вещества.
Химическо равновесие и условия за неговото изместване
Характеристиките на преките и обратните процеси се влияят от няколко фактора. Едно от тях е времето. Концентрацията на веществото, взета за реакцията, постепенно намалява и тази на крайното съединение се увеличава. Реакцията на посоката напред е по-бавна, обратният процес набира скорост. В определен интервал две противоречиви процеси вървят синхронно. Взаимодействието между веществата настъпва, но концентрациите не се променят. Причината е динамичното химическо равновесие, установено в системата. Запазването или промяната му зависи от:
- температурни условия;
- концентрации на съединения;
- налягане (за газове).
Химично равновесно изместване
През 1884 г. един изключителен учен от Франция А. Л. Шателие предлага описание как да се изведе системата от състояние на динамично равновесие. Методът се основава на принципа на изравняване на действието на външни фактори. Le Chatelier забеляза, че в реагиращата смес има процеси, които компенсират влиянието на външни сили. Принципът, формулиран от френски изследовател, заявява, че промяната в условията на равновесие благоприятства реакцията, която отслабва страничния ефект. Равновесната смяна се подчинява на това правило, наблюдава се при промяна на състава, температурните условия и налягането. В индустрията се използват технологии, основани на констатациите на учените. Много химични процеси, които се считат за практически практически невъзможни, се извършват благодарение на методите за изместване на равновесието.
Влияние на концентрацията
Настъпва промяна в равновесието, когато определени компоненти се отстраняват от зоната на взаимодействие, или се въвеждат допълнителни части от веществото. Отстраняването на продуктите от реакционната смес обикновено води до увеличаване на скоростта на образуването им, добавянето на вещества, напротив, води до тяхното преференциално разлагане. В процеса на естерификация се използва дехидратация сярна киселина. При въвеждане в реакционната сфера, добивът на метилацетат се увеличава: CH 3 COOH + CH 3 OH О CH 3 COOCH 3 + H 2 O. Ако добавите кислород, който взаимодейства с серен диоксид, Това химическо равновесие се измества към директната реакция на образуването на серен триоксид. Кислородът се свързва с молекулите на SO 3 , неговата концентрация намалява, което е в съответствие с правилото на Le Chatelier за обратими процеси.
Промяна на температурата
Процесите с абсорбция или генериране на топлина са ендо- и екзотермични. За да се измести равновесието, се използва топлина или топлина от реакционната смес. Повишаването на температурата се придружава от увеличаване на скоростта на ендотермичните явления, при които се абсорбира допълнителна енергия. Охлаждането води до предимство на екзотермичните процеси, с отделянето на топлина. Когато въглеродният диоксид взаимодейства с въглищата, нагряването се придружава от повишаване на концентрацията на монооксид, а охлаждането води до преобладаващо образуване на сажди: CO 2 (g) + C (t) 2CO (g) .
Ефект на налягане
Промяната в налягането е важен фактор за реагиране на смеси, които включват газообразни съединения. Трябва също така да обърнете внимание на разликата в обемите на оригиналните и получените вещества. Намаляването на налягането води до преобладаващ ход на явленията, при които общият обем на всички компоненти се увеличава. Увеличаването на налягането насочва процеса към намаляване на обема на цялата система. Този модел се наблюдава в реакцията на образуване на амоняк: 0.5N2 (g) + 1.5H2 (g) NH3 (g) . Промяната в налягането няма да повлияе на химическото равновесие в тези реакции, които протичат при постоянен обем.
Оптимални условия за осъществяване на химичния процес
Създаването на условия за промяна на равновесието до голяма степен определя развитието на съвременните химически технологии. Практическото използване на научната теория допринася за получаване на оптимални производствени резултати. Най-забележителният пример е производството на амоняк: 0.5N2 (g) + 1.5H2 (g) NH3 (g) . Увеличаването на съдържанието на молекулите N 2 и Н 2 в системата е благоприятно за синтеза на комплексно вещество от прости. Реакцията се придружава от отделянето на топлина, така че намаляването на температурата ще доведе до увеличаване на концентрацията на NH3. Обемът на изходните компоненти е по-голям от целевия продукт. Увеличаването на налягането ще увеличи добива на NH3.
В производствени условия се избира оптимално съотношение на всички параметри (температура, концентрация, налягане). Освен това е важна областта на контакт между реактивите. При твърдите хетерогенни системи увеличаването на повърхността води до увеличаване на скоростта на реакцията. Катализаторите увеличават скоростта на директните и обратните реакции. Използването на вещества с такива свойства не измества химическото равновесие, а ускорява неговото начало.