Химическое равновесие
Химическое равновесие — динамическое состояние, в котором скорости прямой и обратной реакций равны, поэтому макроскопический состав больше не меняется со временем. Это не означает равных концентраций и не означает остановки молекулярных процессов. Константа K характеризует равновесный термодинамический состав при заданной температуре.
Наглядная модель
Интерактивная модель
Динамическое равновесие
В закрытой системе обратимая реакция может достичь состояния, при котором концентрации реагентов и продуктов становятся постоянными. На молекулярном уровне обе реакции продолжаются; равны именно их скорости, а не обязательно количества веществ.
Изотопное мечение может показать продолжающийся обмен молекулами даже при неизменном суммарном составе. Поэтому равновесие нельзя представлять как «замороженную» смесь.
Выражение константы равновесия
Для aA + bB ⇌ cC + dD в простом концентрационном приближении K_c = [C]^c[D]^d / ([A]^a[B]^b). Чистые твёрдые вещества и жидкости обычно не входят в выражение, поскольку их активности в стандартном состоянии считаются постоянными.
Большое K означает, что в равновесной смеси термодинамически преобладают продукты; малое K — реагенты. K не определяет скорость. Очень медленная реакция может иметь очень большое значение K.
Реакционный коэффициент Q
Q имеет ту же математическую форму, что и K, но рассчитывается для текущего, не обязательно равновесного состава. При Q < K система в среднем идёт к продуктам, при Q > K — к реагентам, а Q = K соответствует равновесию.
Сравнение Q и K даёт строгий способ предсказать направление изменения после добавления или удаления вещества и часто надёжнее механического применения словесного правила Ле Шателье.
Принцип Ле Шателье и температура
Добавление реагента или удаление продукта меняет Q и вызывает движение к новому равновесию. В газовой реакции изменение объёма меняет парциальные давления и может сдвинуть состав в зависимости от стехиометрии.
Температура особенная: её изменение может изменить само значение K. Для экзотермической реакции нагрев обычно смещает равновесие в обратную сторону, для эндотермической — в прямую. Количественная связь задаётся термодинамикой.
Катализатор не сдвигает равновесие
Катализатор предоставляет механизм с меньшими барьерами активации для прямого и обратного процессов, поэтому равновесие может установиться быстрее. При той же температуре он не меняет K и окончательный равновесный состав.
Это разделяет кинетику и термодинамику. Константа равновесия отвечает на вопрос «какой состав предпочтителен?», а константы скорости и энергии активации — «как быстро система к нему придёт?».
Задачи
Q и K
Если Q = 0,10, а K = 5,0, куда идёт система?
Решение: Q < K, поэтому в среднем в сторону продуктов, пока Q не станет равным K.
Катализатор
Изменяет ли катализатор значение K?
Решение: Нет. При той же температуре он меняет скорость достижения равновесия, но не его положение.
Чистое твёрдое вещество
Почему чистое твёрдое вещество обычно не пишут в K_c?
Решение: Его активность для данной чистой фазы постоянна и включена в численное значение K.