Хімічна рівновага

Хімічна рівновага — динамічний стан, у якому швидкості прямої та зворотної реакцій однакові, тому макроскопічний склад більше не змінюється з часом. Це не означає однакових концентрацій і не означає зупинки молекулярних процесів. Стала K характеризує рівноважний термодинамічний склад за заданої температури.

Ключове співвідношення: Q < K → продукти · Q = K → рівновага · Q > K → реагенти

Наочна модель

реагенти⇌продуктиQ < K →← Q > KСхема є концептуальною моделлю, а не рисунком у реальному масштабі.

Інтерактивна модель

Рівновага є динамічною

У закритій системі оборотна реакція може досягти стану, коли концентрації реагентів і продуктів стають сталими. На молекулярному рівні обидва напрямки продовжуються; однаковими є саме їхні швидкості, а не обов’язково кількості речовин.

Ізотопне мічення може показати безперервний обмін молекулами навіть за незмінного сумарного складу. Тому рівновагу не можна уявляти як «заморожену» суміш.

Вираз сталої рівноваги

Для aA + bB ⇌ cC + dD у простому концентраційному наближенні K_c = [C]^c[D]^d / ([A]^a[B]^b). Чисті тверді речовини та рідини зазвичай не входять до виразу, бо їхні активності в стандартному стані вважають сталими.

Велике K означає, що в рівноважній суміші термодинамічно переважають продукти; мале K — реагенти. K не визначає швидкість. Дуже повільна реакція може мати дуже велике значення K.

Реакційний коефіцієнт Q

Q має ту саму математичну форму, що й K, але обчислюється для поточного, не обов’язково рівноважного складу. За Q < K система в середньому рухається до продуктів, за Q > K — до реагентів, а Q = K відповідає рівновазі.

Порівняння Q і K дає строгий спосіб передбачити напрям зміни після додавання або вилучення речовини й часто надійніше за механічне застосування словесного правила Ле Шательє.

Принцип Ле Шательє та температура

Додавання реагенту або вилучення продукту змінює Q й спричиняє рух до нової рівноваги. У газовій реакції зміна об’єму змінює парціальні тиски та може змістити склад залежно від стехіометрії.

Температура особлива: її зміна може змінити саме значення K. Для екзотермічної реакції нагрівання зазвичай зміщує рівновагу у зворотний бік, для ендотермічної — у прямий. Кількісний зв’язок задає термодинаміка.

Каталізатор не зміщує рівновагу

Каталізатор забезпечує механізм із нижчими бар’єрами активації для прямого й зворотного процесів, тому рівновага може встановитися швидше. За тієї самої температури він не змінює K та кінцевий рівноважний склад.

Це розділяє кінетику й термодинаміку. Стала рівноваги відповідає на питання «який склад переважний?», а константи швидкості та енергії активації — «як швидко система до нього прийде?».

Вправи

Q і K

Якщо Q = 0,10, а K = 5,0, куди рухається система?

Розв’язання: Q < K, тому в середньому в бік продуктів, поки Q не стане рівним K.

Каталізатор

Чи змінює каталізатор значення K?

Розв’язання: Ні. За тієї самої температури він змінює швидкість досягнення рівноваги, але не її положення.

Чиста тверда речовина

Чому чисту тверду речовину зазвичай не записують у K_c?

Розв’язання: Її активність для даної чистої фази стала й включена в числове значення K.