Читать онлайн
учебники на ANSEVIK.RU

>>> Перейти на полную версию сайта >>>

Учебник для 11 класса

Естествознание

       

§ 17. Обратимость химической реакции и химическое равновесие

  1. Приведите примеры из разных учебных предметов обратимых и необратимых процессов.

Необратимые и обратимые химические реакции. Невозможно ничего вернуть, остановить время, бег времени необратим. Своё начало и свой конец имеют и химические процессы. Но они могут протекать как в прямом, так и в обратном направлении.

      Что войны, что чума? — конец им виден скорый,
      Им приговор почти произнесён.
      Но как нам быть с тем ужасом, который
      Был бегом времени когда-то наречён?

/А. Ахматова/

Химическое равновесие. Все химические реакции по направлению можно разделить на необратимые и обратимые.

Необратимыми называются химические реакции, в результате которых исходные вещества практически полностью превращаются в конечные продукты.

Обратимыми называются химические реакции, которые протекают одновременно в двух противоположных направлениях — прямом и обратном.

Среди обратимых реакций, лежащих в основе получения важнейших химических продуктов, можно назвать знакомую вам из курса химии основной школы реакцию синтеза аммиака:

В обратимых процессах скорость прямой реакции вначале максимальна, а затем уменьшается из-за того, что уменьшаются концентрации исходных веществ, расходуемых на образование продуктов реакции. Наоборот, скорость обратной реакции, минимальная вначале, увеличивается по мере увеличения концентрации продуктов реакции. Наконец наступает такой момент, когда скорости прямой и обратной реакций становятся равными.

Состояние обратимого процесса, при котором скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции, называется химическим равновесием.

Химическое равновесие является динамичным (подвижным), так как при его наступлении реакция не прекращается, неизменными остаются лишь концентрации компонентов, т. е. за единицу времени образуется такое же количество продуктов реакции, какое превращается в исходные вещества. При постоянных температуре и давлении равновесие обратимой реакции может сохраняться неопределённо долгое время.

Смещение химического равновесия. На производстве же чаще всего заинтересованы в преимущественном протекании прямой реакции. Например, в получении аммиака, оксида серы (VI), оксида азота (II). Как же вывести систему из состояния равновесия? Как влияет на него изменение внешних условий, при которых протекает тот или иной обратимый химический процесс?

Французский химик А. Л. Ле Шателье (1850—1936) в 1885 г. вывел, а немецкий физик К. Ф. Браун (1850—1918) в 1887 г. обосновал общий закон смещения химического равновесия в зависимости от внешних факторов, который известен под названием принципа Ле Шателье.

Если изменить одно из условий — температуру, давление или концентрацию веществ, — при которых данная система находится в состоянии химического равновесия, то равновесие сместится в направлении, которое препятствует этому изменению.

Этот принцип можно было бы назвать принципом «делай наоборот — и добьёшься своего».

Использование принципа Ле Шателье для смещения равновесия при синтезе аммиака. Продемонстрируем смещение равновесия, меняя каждое из условий реакции, опять же на примере реакции синтеза аммиака (рис. 71).

Рис. 71. Схема производства аммиака

Вначале дадим классификационную характеристику синтеза аммиака.

  1. Прямая реакция является реакцией соединения, так как из двух простых веществ — азота и водорода — образуется одно сложное вещество — аммиак. Разумеется, обратная реакция по этому признаку относится к реакциям разложения.
  2. Так как обе реакции — и прямая, и обратная — протекают в присутствии катализатора (им может служить или универсальная, но дорогая платина, или дешёвый железный катализатор с добавками оксидов калия и алюминия), то обе они являются каталитическими. Следует отметить, что катализатор не влияет на смещение равновесия, он одинаково изменяет скорость и прямой, и обратной реакции, т. е. только ускоряет момент наступления химического равновесия.
  3. Прямая реакция протекает с выделением энергии, поэтому относится к экзотермическим реакциям. Значит, логично утверждать, что обратная реакция является эндотермической и протекает с поглощением некоторого количества теплоты.

А теперь рассмотрим, как нужно применить принцип Ле Шате-лье (принцип противодействия) для смещения равновесия реакции синтеза аммиака.

  1. Изменение равновесных концентраций, т. е. концентраций веществ после установления равновесия. Чтобы сместить равновесие в сторону образования аммиака (вправо), необходимо увеличить концентрацию исходных веществ — азота и водорода — и уменьшить концентрацию продукта — аммиака (т. е. вывести его из сферы реакции). Понятно, что для смещения равновесия влево нужно поступить наоборот.
  2. Изменение давления. Синтез аммиака из водорода и азота сопровождается уменьшением объёма: из четырёх молей исходных веществ образуется только два моля аммиака. Очевидно, что в закрытом сосуде или аппарате — он называется колонной синтеза (рис. 72) — продукты этой реакции создают меньшее давление, чем создавали исходные вещества. Значит, прямая реакция синтеза аммиака сопровождается понижением давления.

Рис. 72. Колонна синтеза аммиака

Наоборот, разложение аммиака на водород и азот ведёт к увеличению числа газообразных молекул, а потому и к увеличению давления. При сжатии реакционной смеси равновесие смещается вправо, в сторону образования аммиака, так как этот процесс приводит к уменьшению давления, т. е. противодействует внешнему воздействию. Уменьшение же давления смещает равновесие влево, в сторону разложения аммиака.

Необходимо отметить, что изменение давления смещает равновесие лишь в том случае, если в реакции принимают участие газообразные вещества и она сопровождается изменением их количества. Если же количество газообразных веществ в процессе реакции не изменяется, то увеличение или уменьшение давления не влияет на равновесие такой обратимой реакции.

  1. Изменение температуры. Мы уже выяснили, что процесс образования аммиака из водорода и азота является экзотермическим, а обратный — разложение аммиака — эндотермическим. При повышении температуры равновесие сместится в направлении реакции разложения аммиака, которая проходит с поглощением энергии и поэтому ослабляется внешним воздействием — повышением температуры. Наоборот, охлаждение реакционной смеси смещает равновесие в сторону синтеза аммиака. Эта реакция идёт с выделением энергии и противодействует охлаждению (рис. 73).

Рис. 73. Схема промышленной установки для синтеза аммиака

Следовательно, повышение температуры смещает химическое равновесие в сторону эндотермической реакции, а понижение — в сторону экзотермической реакции.

Как можно убедиться на рассмотренных примерах, применение принципа Ле Шателье к обратимым химическим процессам открывает путь к управлению химическими реакциями.

Далее речь пойдёт об окислительно-восстановительных реакциях, о степени окисления и методе её расчёта, о веществах, которые являются окислителями и восстановителями. Также вы узнаете, как под действием электрического тока протекают окислительновосстановительные реакции электролиза.

Теперь вы знаете

  • что такое необратимые и обратимые химические реакции; химическое равновесие
  • как сместить химическое равновесие
  • как принцип Ле Шателье позволяет сместить равновесие при синтезе аммиака

Теперь вы можете

  • объяснить, какие реакции называются обратимыми, какие необратимыми и что такое химическое равновесие
  • на примере реакции синтеза аммиака продемонстрировать применение принципа Ле Шателье
  • перечислить параметры, которые надо изменить, чтобы вывести систему из состояния равновесия, и объяснить, почему на производстве заинтересованы чаще всего в протекании прямой реакции

Выполните задания

  1. Дайте характеристику реакции синтеза оксида азота (II) из азота и кислорода, рассмотрите, как нужно изменить концентрацию веществ, давление и температуру, чтобы сместить равновесие вправо, учитывая, что эта реакция соединения — редкий случай эндотермической реакции этого типа.
  2. Для смещения равновесия в реакции синтеза аммиака вправо необходимо понизить температуру. Объясните, почему на производстве этот процесс проводят при достаточно высокой температуре +500—550 °C.
  3. Опишите схему производства аммиака и схему промышленной установки для синтеза аммиака.
  4. Используя свои знания по биологии и неорганической химии, охарактеризуйте значение аммиака в народном хозяйстве.
  5. Приведите примеры обратимых процессов из курсов физики и биологии основной школы. Объясните принцип Ле Шателье.

Темы для рефератов

  1. Научная деятельность А. Л. Ле Шателье.
  2. Биологическая роль и физиологическое действие аммиака.
  3. Экологическая безопасность при производстве, транспортировке и применении аммиака.

Рейтинг@Mail.ru