Химийн тэнцвэрийн тогтмол

Ихэнх химийн урвалууд буцах боломжтой, i.e. эсрэг чиглэлд нэгэн зэрэг урсдаг. Урагш ба урвуу урвал ижил хурдтай явагдах тохиолдолд химийн тэнцвэрт байдал үүсдэг. Жишээлбэл, урвуу нэг төрлийн урвалд: H 2 (g) + I 2 (g) ↔ 2HI (g) массын үйл ажиллагааны хуулийн дагуу шууд ба урвуу урвалын хурдны харьцаа нь концентрацийн харьцаанаас хамаарна. урвалд орох бодисын, тухайлбал: урагшлах урвалын хурд: υ 1 = k 1 [H 2 ]. Урвуу урвалын хурд: υ 2 = k 2 2.

Хэрэв H 2 ба I 2 нь эхлэлийн бодисууд бол эхний мөчид урагшлах урвалын хурд нь тэдгээрийн анхны концентрациар тодорхойлогддог бөгөөд урвуу урвалын хурд нь тэг байна. H 2 ба I 2-ыг хэрэглэж, HI үүсэх үед урагшлах урвалын хурд буурч, урвуу урвалын хурд нэмэгддэг. Хэсэг хугацааны дараа хоёулаа хоёулаа тэнцүү болж, системд химийн тэнцвэрт байдал бий болно, жишээлбэл. нэгж хугацаанд үйлдвэрлэсэн ба хэрэглэсэн HI молекулуудын тоо ижил болно.

Химийн тэнцвэрт байдалд шууд болон урвуу урвалын хурд нь V 1 = V 2-тэй тэнцүү тул k 1 = k 2 2 болно.

Өгөгдсөн температурт k 1 ба k 2 тогтмол байдаг тул тэдгээрийн харьцаа тогтмол байх болно. Үүнийг K-ээр тэмдэглэвэл бид дараахь зүйлийг авна.

K-ийг химийн тэнцвэрийн тогтмол гэж нэрлэдэг ба өгөгдсөн тэгшитгэлийг массын үйл ажиллагааны хууль (Гулдберг - Ваале) гэж нэрлэдэг.

Ерөнхий тохиолдолд aA+bB+…↔dD+eE+… хэлбэрийн урвалын хувьд тэнцвэрийн тогтмол нь тэнцүү байна. . Хийн бодисуудын харилцан үйлчлэлийн хувьд урвалд орох бодисыг тэнцвэрийн хэсэгчилсэн даралтаар илэрхийлдэг илэрхийлэлийг ихэвчлэн ашигладаг. Дээр дурдсан урвалын хувьд .

Тэнцвэрийн төлөв нь өгөгдсөн нөхцөлд урвал аяндаа үргэлжлэх хязгаарыг тодорхойлдог (∆G<0). Если в системе наступило химическое равновесие, то дальнейшее изменение изобарного потенциала происходить не будет, т.е. ∆G=0.

Тэнцвэрийн концентрацийн хоорондын хамаарал нь ямар бодисыг анхны бодис болгон авахаас хамаардаггүй (жишээлбэл, H 2 ба I 2 эсвэл HI), өөрөөр хэлбэл. тэнцвэрийн төлөвт хоёр талаас ойртож болно.

Химийн тэнцвэрийн тогтмол нь урвалжуудын шинж чанар, температураас хамаарна; Тэнцвэрийн тогтмол байдал нь даралтаас (хэт өндөр байвал) эсвэл урвалжийн концентрацаас хамаардаггүй.

Температур, энтальпи, энтропийн хүчин зүйлийн тэнцвэрийн тогтмол байдалд үзүүлэх нөлөө. Тэнцвэрийн тогтмол нь ∆G o =-RT ln K энгийн тэгшитгэлээр химийн урвалын ∆G o стандарт изобар-изотерм потенциалын өөрчлөлттэй холбоотой.

Энэ нь ∆G o (∆G o) гэсэн том сөрөг утгатай болохыг харуулж байна<<0) отвечают большие значения К, т.е. в равновесной смеси преобладают продукты взаимодействия. Если же ∆G o характеризуется большими положительными значениями (∆G o >>0), дараа нь тэнцвэрийн хольцод эхлэлийн бодисууд давамгайлдаг. Энэ тэгшитгэл нь ∆G o-ийн утгаас K-ийг, дараа нь урвалжуудын тэнцвэрийн концентрацийг (хэсэгчилсэн даралт) тооцоолох боломжтой болгодог. Хэрэв бид ∆G o =∆Н o -Т∆S o гэдгийг харгалзан үзвэл зарим нэг хувиргалт хийсний дараа бид гарч ирнэ. . Энэ тэгшитгэлээс харахад тэнцвэрийн тогтмол нь температурын өөрчлөлтөд маш мэдрэмтгий байдаг. Урвалжийн шинж чанарын тэнцвэрийн тогтмол байдалд үзүүлэх нөлөө нь энтальпи ба энтропийн хүчин зүйлээс хамаарлыг тодорхойлдог.

Химийн төлөв тэнцвэрт байдал- энэ нь үйл явцын стехиометрийг харгалзан бүтээгдэхүүн ба анхны бодисын химийн чадавхи бие биетэйгээ тэнцүү байх төлөв юм.

Хоёр нөхцөл хангагдсан тохиолдолд бид химийн тэнцвэрийн талаар ярьж болно.

Урагш ба урвуу урвалын хурд тэнцүү байна.

Гадны нөлөөлөл үзүүлж, дараа нь түүнийг арилгах үед систем анхны төлөвтөө буцаж ирдэг бол тэнцвэр бий болно.

11. Олон нийтийн үйл ажиллагааны хууль.

Тогтмол температурт химийн урвалын хурд нь урвалын тэгшитгэл дэх стехиометрийн коэффициенттэй тэнцүү хүчин чадлаар авсан урвалжуудын концентрацийн бүтээгдэхүүнтэй шууд пропорциональ байна.

Жишээлбэл, аммиакийн синтезийн урвалын хувьд:

N2 + 3H2 = 2NH3

массын үйл ажиллагааны хууль дараах хэлбэртэй байна.

Kc = 2 / 3

12. Нэг төрлийн систем дэх тэнцвэрийн тогтмол. Тэнцвэрийн тогтмолыг илэрхийлэх арга замууд.

тэнцвэрийн тогтмолЭнэ нь стехиометрийн коэффициентүүдтэй харгалзах чадвараар авсан эцсийн болон анхны урвалын оролцогчдын тэнцвэрийн концентрацийн бүтээгдэхүүний харьцаатай тэнцүү тогтмол утга юм.

Нэг төрлийнНэг үе шатанд тохиолддог урвалыг: хийн хольц, шингэн эсвэл заримдаа хатуу уусмалаар нэрлэдэг.

Тэнцвэрийн тогтмолыг илэрхийлэх арга замууд

Хэрэв урвалд оролцож буй бодисын концентрацийг молийн молийн нэгжээр илэрхийлсэн бол i.e. моль/л-ээр ихэвчлэн Kc гэж тэмдэглэдэг

Нэг төрлийн хийн урвалын хувьд тэнцвэрийн тогтмолыг бодисын хэсэгчилсэн даралтаар илэрхийлэх нь илүү тохиромжтой.

Заримдаа тэнцвэрийн тогтмолыг хэсэгчилсэн даралт ба концентрациар бус, харин бодисын хэмжээгээр илэрхийлэх нь тохиромжтой байдаг.
эсвэл харгалзах моль фракцаар дамжуулан:

Ерөнхий тохиолдолд Kc, Kp, Kn, KN тэнцвэрийн тогтмолууд өөр байна.

13. Ле Шателье-Брауны зарчим .

Хэрэв тэнцвэрт байдалд байгаа системд гадны нөлөөлөл үзүүлэх юм бол тэнцвэр нь гадны нөлөөллийг сулруулах чиглэлд шилждэг.

14. Вант Хоффын изобар тэгшитгэл.

Энэ илэрхийлэл нь Т-ийн тэнцвэрт байдал ба тэнцвэрийн тогтмол байдалд үзүүлэх нөлөөг чанарын хувьд үнэлэх боломжийг олгодог.

15.Үе шат.

үе шат гэж нэрлэдэг - гетероген системийн нэг төрлийн хэсэг, бодит интерфейстэй, дотор нь бүх шинж чанар нь тасралтгүй, түүгээр дамжин өнгөрөх үед өөрчлөгддөг.

16. Бүрэлдэхүүн хэсэг ба бүрэлдэхүүн хэсгүүд.

Бүрэлдэхүүн хэсэг гэж нэрлэдэг- системийн төлөв байдлыг тодорхойлоход хангалттай бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хамгийн бага тоо.

Бүрэлдэхүүн хэсгүүдгэж нэрлэдэг -эмийн уламжлалт аргуудыг ашиглан тусгаарлаж болох системийн нэг хэсэг болох, системээс гадуур хүссэн үедээ оршин тогтнох боломжтой бодисууд.

17. Гиббсын фазын дүрэм .

Гадны хүчин зүйлсийн дунд зөвхөн температур ба даралт нөлөөлдөг тэнцвэрт термодинамик системийн чөлөөт байдлын зэрэг нь бие даасан бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн тоотой тэнцүү байна. S=K-F+n(гадаад параметрийн тоо)

Фазын дүрмээс харахад эрх чөлөөний зэрэг нь бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн тоогоор нэмэгдэж, системийн фазын тоогоор буурдаг.

18. Систем дэх фазын тэнцвэрт байдлын нөхцөл.

Гетероген системд фазын хооронд дараах төрлийн тэнцвэрт байдал байгаа тохиолдолд фазын тэнцвэрт байдал бий болно.

Дулааны (температурын тэгш байдал)

Механик (даралтын тэгш байдал)

Химийн бүрэлдэхүүн хэсэг бүрийн хувьд

19.Клаузиус-Клаузиусын тэгшитгэл

Хаана, - Δ В- Эхний үе шатаас хоёр дахь үе рүү шилжих явцад бодисын эзлэхүүний өөрчлөлт; Т - шилжилтийн температур; Δ Х– 1 моль бодисын нэг фазаас нөгөөд шилжих үед бодисын энтропи ба энтальпийн өөрчлөлт

Энэ нь 2 параметр өөрчлөгдөхөд фазын шилжилтийн үед температур эсвэл даралт хэрхэн өөрчлөгдөхийг тооцоолох боломжийг танд олгоно.

20. усны төлөвийн диаграм

Системийн төлөв байдлыг тодорхойлдог хэмжигдэхүүн ба систем дэх фазын өөрчлөлтүүдийн хоорондын хамаарал - хатуугаас шингэн рүү, шингэнээс хий рүү шилжих

21. Бодит шийдлүүд. Уусмалын концентрацийг илэрхийлэх арга. Бодисын моляр ба массын хувь, уусмал дахь бодисын молийн концентрацийг тооцоолох.

Үнэн шийдэл- энэ нь ууссан бодисын ширхэгийн хэмжээ нь маш бага бөгөөд уусгагч хэсгүүдийн хэмжээтэй харьцуулахуйц уусмалын төрөл юм.

Шийдэл бий хий(хийн хольц), шингэнТэгээд хэцүү. Хийн уусмал нь агаар юм. Далайн ус нь усан дахь давсны холимог - шингэн уусмал юм. Хатуу уусмал - металл хайлш. Уусмал нь уусгагч ба ууссан бодисоос бүрдэнэ.

Үүнийг шийдэл гэж нэрлэдэгхоёр буюу түүнээс дээш бүрэлдэхүүн хэсгээс бүрдсэн хатуу буюу шингэн нэгэн төрлийн систем.

Уусгагч гэж үздэг– уусмалын агрегацын төлөвийг тодорхойлох бодис буюу эзэлхүүн, массын хувьд илүү их бодис.

Уусмалын концентрацийг илэрхийлэх арга.

Уусмалын концентраци Уусмал эсвэл уусгагчийн тодорхой хэмжээ, масс эсвэл эзэлхүүн дэх ууссан бодисын масс эсвэл тоо хэмжээ.

1) Массын фракц ( wi ) нь 100 грамм уусмалд агуулагдах ууссан бодисын масс юм.

2) Молийн фракц (моль) - X би – 1 моль уусмалд агуулагдах бүрэлдэхүүн хэсгийн моль тоо.

3) Молын концентраци (моляри) ми – 1 кг уусгагчид агуулагдах ууссан бодисын молийн тоо [моль/кг].

4) Молийн концентраци ХАМТ би – 1 литр буюу 1 дм3 уусмалд агуулагдах ууссан бодисын молийн тоо [моль/л].

Судлах асуултууд

1. Тэнцвэрийн байдал

Тэнцвэрийн тогтмол

Тэнцвэрийн концентрацийн тооцоо

Химийн тэнцвэрт байдалд шилжих. Ле Шательегийн зарчим

1. Тэнцвэрийн байдал

Ижил нөхцөлд нэгэн зэрэг эсрэг чиглэлд явагдах урвалыг урвуу гэж нэрлэдэг.

Хаалттай системд тохиолддог урвуу урвалыг авч үзье

Урьдчилсан урвалын хурдыг тэгшитгэлээр тодорхойлно.

pr = к pr [A] [B],

Хаана pr - шууд урвалын хурд;

к pr нь урагшлах урвалын хурдны тогтмол юм.

Цаг хугацаа өнгөрөхөд урвалжуудын концентраци АТэгээд INбуурч, урвалын хурд буурдаг (Зураг 1, муруй pr).

хоорондын урвал АТэгээд INбодис үүсэхэд хүргэдэг CТэгээд Д, молекулууд мөргөлдөх үед дахин бодис өгч чаддаг АТэгээд IN.

Урвуу урвалын хурдыг тэгшитгэлээр тодорхойлно.

arr = к arr [C] [D],

Хаана rev - урвуу урвалын хурд;

к rev – урвуу урвалын хурдны тогтмол.

Бодисын концентрацийн хувьд CТэгээд Днэмэгдэх тусам урвуу урвалын хурд нэмэгдэнэ (Зураг 1, муруй arr).

Зураг 1. Цаг хугацааны явцад урагшлах болон урвуу урвалын хурдны өөрчлөлт

Хэсэг хугацааны дараа Урагш ба урвуу урвалын хурд тэнцүү болно:

pr = арр.

Системийн энэ төлөвийг нэрлэдэг тэнцвэрийн байдал .

Тэнцвэрийн төлөв байдалд түүний бүх оролцогчдын концентраци цаг хугацааны явцад өөрчлөгдөхөө болино . Ийм концентрацийг нэрлэдэг тэнцвэрт байдал .

Химийн тэнцвэрт байдал – Энэ динамик тэнцвэр.Хаалттай системд агуулагдах бодисын концентрацийн өөрчлөгдөөгүй байдал нь тасралтгүй үргэлжилж буй химийн үйл явцын үр дагавар юм. Урагш ба урвуу урвалын хурд 0-тэй тэнцүү биш боловч процессын ажиглагдсан хурд тэгтэй тэнцүү байна.

Урагш ба урвуу урвалын хурдны тэгш байдал нь химийн тэнцвэрт байдлын кинетик нөхцөл юм.

2. Тэнцвэрийн тогтмол

Урагш ба урвуу урвалын хурд тэнцүү байх үед

pr = арр.

тэгш байдал үнэн

к pr [A] [B] = к arr [C] [D],

Хаана [ А], [Б], [ХАМТ], [Д] – бодисын тэнцвэрт концентраци.

Хурдны тогтмолууд нь концентрацаас хамаардаггүй тул тэгш байдлыг өөрөөр бичиж болно.

Урагш ба урвуу урвалын хурдны тогтмолуудын харьцаа ( к pr / к арр. ) химийн тэнцвэрийн тогтмол гэж нэрлэдэг:

Жинхэнэ химийн тэнцвэрт байдал нь урвалын механизмын бүх анхан шатны үе шатууд тэнцвэрт байдалд байгаа тохиолдолд л бий болно. Шууд ба урвуу урвалын механизмууд хэчнээн төвөгтэй байсан ч тэнцвэрийн төлөвт тэд эхлэлийн бодисуудын урвалын бүтээгдэхүүн болон буцаж стехиометрийн шилжилтийг хангах ёстой. Энэ нь үйл явцын бүх үе шатуудын алгебрийн нийлбэр нь урвалын стехиометрийн тэгшитгэлтэй тэнцүү гэсэн үг юм. стехиометрийн коэффициентүүд нь механизмын бүх үе шатуудын молекулуудын нийлбэрийг илэрхийлдэг.

Нарийн төвөгтэй урвалын хувьд

aA + bB  cC + dD

Ижил температурын хувьд стехиометрийн коэффициентүүдтэй тэнцүү градусаар урвалын бүтээгдэхүүний тэнцвэрийн концентрацийн үржвэрийг стехиометрийн коэффициенттэй тэнцүү градусын эхлэлийн бодисын тэнцвэрийн концентрацийн бүтээгдэхүүнд харьцуулсан харьцаа нь тогтмол утга юм..

Энэ бол массын үйл ажиллагааны хуулийн хоёр дахь томъёолол юм.

Гетероген урвалын тэнцвэрийн тогтмол байдлын илэрхийлэлд зөвхөн шингэн эсвэл хийн фаз дахь бодисын концентрацийг багтаасан болно, учир нь хатуу бодисын концентраци нь дүрмээр бол тогтмол хэвээр байна.

Жишээлбэл, дараах урвалын тэнцвэрийн тогтмолыг илэрхийлнэ

CO 2 (г) + C (тв)  2 CO (г)

ингэж бичсэн байна:

TO c =
.

Тэнцвэрийн тогтмол тэгшитгэл нь тэнцвэрийн нөхцөлд урвалд оролцож буй бүх бодисын концентраци хоорондоо хамааралтай болохыг харуулж байна. Тэнцвэрийн тогтмолын тоон утга нь урвалд орж буй бүх бодисын концентрацийн харьцаа тэнцвэрт байдалд ямар байх ёстойг тодорхойлдог.

Эдгээр бодисын аль нэгний концентрацийн өөрчлөлт нь бусад бүх бодисын концентраци өөрчлөгдөхөд хүргэдэг. Үүний үр дүнд шинэ концентраци үүссэн боловч тэдгээрийн хоорондын харьцаа тэнцвэрийн тогтмолтой дахин тохирч байна.

Тэнцвэрийн тогтмолын утга нь үүнээс хамаарна урвалд орох бодисын шинж чанар ба температур.

Урвалж буй бодисын молийн концентрациар илэрхийлэгдсэн тэнцвэрийн тогтмол ( TO-тай) ба тэнцвэрийн хэсэгчилсэн даралтаар илэрхийлэгдэх тэнцвэрийн тогтмол ( TOr) ("Химийн термодинамикийн үндсүүд" -ийг үзнэ үү) нь дараах хамаарлаар харилцан уялдаатай байдаг.

TOr= К-тайRT  , Кв = Кr / (RT)  ,

Энд  нь урвалын хийн мольуудын тооны өөрчлөлт юм.

Гиббсын энергийн стандарт өөрчлөлт нь

G T = - RT ln Кх,

G Т =  Х – Т  С.

Тэгшитгэлийн баруун талыг тэгшитгэсний дараа:

- RT ln Кх =  Х – Т  С

ln К r = -  Х / ( RT) +  С/ Р .

Тэгшитгэл нь тогтмол хэмжигдэхүүний температураас хамаарах хамаарлын төрлийг тогтоогоод зогсохгүй тогтмол нь урвалд орж буй бодисын шинж чанараар тодорхойлогддог болохыг харуулж байна.

Тэнцвэрийн тогтмол байдал нь концентраци (урвалын хурдны тогтмол гэх мэт), урвалын механизм, идэвхжүүлэх энерги, катализатор байгаа эсэхээс хамаардаггүй.. Жишээлбэл, катализаторыг нэвтрүүлэх үед механизмыг өөрчлөх нь тэнцвэрийн тогтмолын тоон утгад нөлөөлөхгүй, гэхдээ мэдээжийн хэрэг тэнцвэрт байдалд хүрэх хурдыг өөрчилдөг.

Химийн тэнцвэрийн тогтмол

Бүх химийн урвалыг 2 бүлэгт хувааж болно: эргэлт буцалтгүй урвал, i.e. урвалд орж буй бодисуудын аль нэг нь бүрэн дуусах хүртэл явагдах ба урвалд орж буй бодисуудын аль нь ч бүрэн дуусаагүй буцах урвалууд. Энэ нь эргэлт буцалтгүй урвал зөвхөн нэг чиглэлд явагддагтай холбоотой юм. Урвуу урвал нь урагш болон урвуу чиглэлд хоёуланд нь тохиолдож болно. Жишээлбэл, урвал

Zn + H 2 SO 4 ® ZnSO 4 + H 2

хүхрийн хүчил эсвэл цайрын аль нэг нь бүрэн алга болох хүртэл үргэлжилж, эсрэг чиглэлд урсдаггүй: устөрөгчийг цайрын сульфатын усан уусмал руу нэвтрүүлэх замаар металл цайр ба хүхрийн хүчлийг олж авах боломжгүй. Тиймээс энэ урвал нь эргэлт буцалтгүй юм.

Урвуу урвалын сонгодог жишээ бол азот ба устөрөгчөөс аммиакийн нийлэгжилт юм: N 2 + 3 H 2 ⇆ 2 NH 3 .

Хэрэв та 1 моль азот, 3 моль устөрөгчийг өндөр температурт холих юм бол хангалттай удаан хугацааны урвалын дараа ч зөвхөн урвалын бүтээгдэхүүн (NH 3) төдийгүй урвалд ороогүй эхлэлийн бодисууд (N 2 ба H 2) болно. реакторт байх болно. Хэрэв ижил нөхцөлд азот ба устөрөгчийн холимог биш, харин цэвэр аммиакийг реакторт оруулбал хэсэг хугацааны дараа аммиакийн хэсэг нь азот, устөрөгч болж задардаг. урвал эсрэг чиглэлд явагдана.

Химийн тэнцвэрийн мөн чанарыг ойлгохын тулд шууд болон урвуу урвалын хурдыг авч үзэх шаардлагатай. Химийн урвалын хурд нь нэгж хугацаанд эхлэх бодис эсвэл урвалын бүтээгдэхүүний концентрацийн өөрчлөлт юм. Химийн тэнцвэрийн асуудлыг судлахдаа бодисын концентрацийг моль/л-ээр илэрхийлнэ; Эдгээр концентраци нь 1 литр саванд өгөгдсөн урвалжийн хэдэн моль агуулагдаж байгааг харуулдаг. Жишээлбэл, "аммиакийн концентраци 3 моль/л" гэсэн үг нь тухайн эзэлхүүний литр тутамд 3 моль аммиак агуулдаг гэсэн үг юм.

Химийн урвалууд нь молекулуудын мөргөлдөөний үр дүнд үүсдэг тул нэгж эзэлхүүн дэх молекулууд их байх тусам тэдгээрийн хоорондын мөргөлдөөн ихэвчлэн тохиолддог бөгөөд урвалын хурд өндөр байдаг. Тиймээс урвалд орох бодисын концентраци их байх тусам урвалын хурд өндөр болно.

системд тэнцвэр ажиглагдахгүй

Харагдах өөрчлөлт алга.

Жишээлбэл, хэрэв системд гадны нөлөө байхгүй бол бүх бодисын концентраци нь тодорхойгүй хугацаагаар өөрчлөгдөхгүй хэвээр үлдэж болно. Химийн тэнцвэрт байдалд байгаа систем дэх концентрацийн энэхүү тогтмол байдал нь харилцан үйлчлэл байхгүй гэсэн үг биш бөгөөд урагш болон урвуу урвалууд ижил хурдтай явагддагтай холбон тайлбарладаг. Энэ төлөвийг жинхэнэ химийн тэнцвэр гэж нэрлэдэг. Тиймээс жинхэнэ химийн тэнцвэр нь динамик тэнцвэр юм.

Хуурамч тэнцвэрийг жинхэнэ тэнцвэрээс ялгах ёстой. Системийн параметрүүдийн тогтмол байдал (бодисын концентраци, даралт, температур) нь жинхэнэ химийн тэнцвэрт байдлын зайлшгүй боловч хангалтгүй шинж тэмдэг юм. Үүнийг дараах жишээгээр тайлбарлаж болно. Азот ба устөрөгчийн харилцан үйлчлэл нь аммиак үүсэх, түүнчлэн аммиакийн задрал нь өндөр температурт (ойролцоогоор 500 ° C) мэдэгдэхүйц хурдтай явагддаг. Хэрэв та тасалгааны температурт устөрөгч, азот, аммиакийг ямар ч харьцаатай хольсон бол урвал N 2 + 3 H 2 ⇆ 2 NH 3 болно.

гоожихгүй бөгөөд системийн бүх параметрүүд тогтмол утгыг хадгалах болно. Гэсэн хэдий ч, энэ тохиолдолд тэнцвэр нь худал, үнэн биш, учир нь энэ нь динамик биш юм; Системд химийн харилцан үйлчлэл байхгүй: шууд ба урвуу урвалын хурд тэг байна.

Материалын цаашдын танилцуулгад жинхэнэ химийн тэнцвэртэй холбоотой "химийн тэнцвэр" гэсэн нэр томъёог ашиглана.

Химийн тэнцвэрт байдалд байгаа системийн тоон шинж чанар юм тэнцвэрийн тогтмол K .

Урвуу урвалын ерөнхий тохиолдолд a A + b B + ... ⇆ p P + q Q + ...

Тэнцвэрийн тогтмолыг дараах томъёогоор илэрхийлнэ.

Томъёо 5.1 C(A), C(B), C(P) C(Q) нь урвалд оролцож буй бүх бодисын тэнцвэрт концентраци (моль/л), өөрөөр хэлбэл. химийн тэнцвэрт байдлын үед системд тогтоосон концентраци; a, b, p, q – урвалын тэгшитгэл дэх стехиометрийн коэффициентүүд.

Аммиакийн синтезийн N 2 +3H 2 ⇆2NH 3 урвалын тэнцвэрийн тогтмол байдлын илэрхийлэл дараах хэлбэртэй байна: . (5.2)

Тиймээс химийн тэнцвэрийн тогтмолын тоон утга нь урвалын бүтээгдэхүүний тэнцвэрийн концентрацийн үржвэрийг эхлэлийн бодисын тэнцвэрийн концентрацийн үржвэрт харьцуулсан харьцаатай тэнцүү бөгөөд бодис бүрийн концентрацийг хүчин чадал хүртэл нэмэгдүүлэх шаардлагатай. урвалын тэгшитгэл дэх стехиометрийн коэффициенттэй тэнцүү байна.

Үүнийг ойлгох нь чухал юм тэнцвэрийн тогтмол нь тэнцвэрийн концентрациар илэрхийлэгдэх боловч тэдгээрээс хамаарахгүй ; эсрэгээр урвалд оролцож буй бодисын тэнцвэрт концентрацийн харьцаа нь тэнцвэрийн тогтмолтой тохирч байх болно. Тэнцвэрийн тогтмол нь урвалд орох бодисын шинж чанар ба температураас хамаардаг бөгөөд тогтмол (тогтмол температурт) утга юм. .

Хэрэв K >> 1 бол тэнцвэрийн тогтмол илэрхийллийн бутархайн хуваагч нь хуваагчаас олон дахин их байдаг тул тэнцвэрийн агшинд системд урвалын бүтээгдэхүүн давамгайлдаг, өөрөөр хэлбэл. урвал нь ихэвчлэн урагшлах чиглэлд явагддаг.

Хэрэв К<< 1, то знаменатель во много раз превышает числитель, следовательно, в момент равновесия в системе преобладают исходные вещества, т.е. реакция лишь в незначительной степени протекает в прямом направлении.

Хэрэв K ≈ 1 бол эхлэлийн бодис ба урвалын бүтээгдэхүүний тэнцвэрийн концентрацийг харьцуулж болно; урвал нь урагш болон урвуу чиглэлд мэдэгдэхүйц хэмжээгээр явагддаг.

Тэнцвэрийн тогтмол байдлын илэрхийлэлд зөвхөн хийн фаз эсвэл ууссан төлөвт байгаа бодисуудын концентрацийг (хэрэв урвал нь уусмалд явбал) агуулдаг гэдгийг санах нь зүйтэй. Хэрэв урвалд хатуу бодис оролцсон бол харилцан үйлчлэл нь түүний гадаргуу дээр явагддаг тул хатуу бодисын концентрацийг тогтмол гэж үздэг бөгөөд тэнцвэрийн тогтмол байдлын илэрхийлэлд бичдэггүй.

CO 2 (хий) + C (хатуу) ⇆ 2 CO (хий)

CaCO 3 (хатуу) ⇆ CaO (хатуу) + CO 2 (хий) K = C (CO 2)

Ca 3 (PO 4) 2 (хатуу) ⇆ 3Ca 2+ (уусмал) + 2PO 4 3– (уусмал) K = C 3 (Ca 2+) C 2 (PO 4 3–)

ХИМИ, БАЙГАЛИЙН УХААНЫ СУРГУУЛЬД ӨӨРИЙГӨӨ ЗОГЧИЛХООР ШИЙДСЭН ЕРӨНХИЙ СУРГУУЛИЙН БАГШ, БАГШ СУРГУУЛИЙН ИХ СУРГУУЛИЙН ОЮУТНУУД, 9-10-Р АНГИЙН СУРАГЧДАД ЗОРИУЛАВ.

Сурах бичиг · АСУУДАЛТАЙ АЖИЛЧИН · ЛАБОРАТОРИЙН ПРАКТИКУМ · УНШИХ ШИНЖЛЭХ УХААНЫ ТҮҮХҮҮД

§ 3.2. Тэнцвэрийн тогтмол
ба изобарын урвалын потенциал

Тэнцвэрийн тогтмолыг анхдагч бодис, урвалын бүтээгдэхүүний үүсэх энтальпи ба энтропийн талаарх хүснэгтэн өгөгдлөөс тооцоолсон изобар потенциалын утгаас хялбархан олох боломжтой.

Судалж буй урвалын тэнцвэрийн тогтмолыг тооцоолоход танд энэ томъёо хэрэгтэй болно.

Энэхүү сурах бичигт бид бэлэн томьёо өгөхгүй, харин математик логикийн хамгийн энгийн аргуудыг ашиглан гаргаж авахыг хичээсэн тул энэхүү томъёоны гарал үүслийг доор өгөв. Энэ материалыг уншсаны дараа та магадлалын онол, идэвхжүүлэлтийн энтропи гэх мэт хамгийн энгийн ойлголтуудтай танилцах болно.

Химийн урвалын хурдыг зөвхөн идэвхжүүлэх энерги тодорхойлдоггүй. Урвалж буй молекулуудын хэмжээ, хэлбэр, тэдгээрийн доторх реактив атомууд эсвэл тэдгээрийн бүлгүүдийн байршил асар их үүрэг гүйцэтгэдэг. Үүнтэй холбогдуулан хоёр бөөм мөргөлдөх үед тэдгээрийн тодорхой чиглэл, өөрөөр хэлбэл реактив төвүүдийн холбоо барих нь чухал юм.

Мөргөлдөөний үед харилцан үйлчлэхэд шаардагдах молекулын чиглэлийн магадлалыг W-ээр тэмдэглэе.

W утгын байгалийн логарифмыг хийн тогтмол R-аар үржүүлсэнийг идэвхжүүлэх энтропи S a гэнэ.

Энэ илэрхийллээс дараах байдалтай байна.

Логарифмын тодорхойлолтоор бид шаардлагатай чиглэлийн магадлалыг хаанаас олж авдаг:

Урвал гарахад шаардлагатай чиг баримжаа үүсэх магадлал өндөр байх тусам түүний хурд өндөр байх тусам хурдны тогтмолыг дараах байдлаар бичиж болно.

Өмнө нь бид хурдны тогтмол нь идэвхжүүлэлтийн энерги болон температураас хамаардаг болохыг олж мэдсэн.

Тиймээс хурдны тогтмол нь идэвхжүүлэлтийн энерги, температур, идэвхжүүлэлтийн энтропи зэргээс хамаарна.

Пропорциональ байдлын Z коэффициентийг танилцуулж, тэнцүү тэмдэг тавьцгаая.

Үр дүнгийн илэрхийлэл гэж нэрлэгддэг химийн кинетикийн үндсэн тэгшитгэл.

Энэ тэгшитгэл нь катализийн зарим талыг тайлбарладаг: катализатор нь урвалын идэвхжүүлэлтийн энергийг бууруулж, идэвхжүүлэлтийн энтропийг нэмэгдүүлдэг, өөрөөр хэлбэл урвалд орж буй хэсгүүдийн харилцан үйлчлэлд тохирсон чиг баримжаа олгох магадлалыг нэмэгдүүлдэг.

Идэвхжүүлэлтийн энтропи нь зөвхөн бөөмсийн тодорхой чиг баримжаа төдийгүй мөргөлдөх үеийн холбоо барих хугацааг харгалзан үздэг нь сонирхолтой юм. Хэрэв бөөмс хоорондын холбоо барих хугацаа маш богино бол тэдгээрийн электрон нягтрал нь шинэ химийн холбоо үүсгэхийн тулд дахин хуваарилагдах цаг байхгүй бөгөөд бөөмс нь түлхэж, өөр өөр чиглэлд хуваагддаг. Катализатор нь мөн урвалд орж буй хэсгүүдийн холбоо барих хугацааг ихээхэн нэмэгдүүлдэг.

Катализаторын үйл ажиллагааны өөр нэг онцлог нь: катализатор нь шинээр үүссэн бөөмсөөс илүүдэл энергийг авдаг бөгөөд энэ нь эрчим хүчний өндөр идэвхжилтэй тул анхны хэсгүүдэд задардаггүй.

Тэнцвэрийн тогтмол гэдэг нь шууд ба урвуу урвалын хурдны тогтмолуудын харьцаа гэдгийг та мэднэ.

Урагш ба урвуу урвалын хурдны тогтмолуудыг химийн кинетикийн үндсэн тэгшитгэлийн илэрхийллээр орлуулъя.

Z pr / Z arr хоёр пропорциональ коэффициентийн харьцаа нь тогтмол утга бөгөөд бид үүнийг тэнцвэрийн тогтмолын утгад нэмэх тул өмнөх шигээ тогтмол хэвээр байх болно.

Хэрэв та экспоненциал функцтэй ажиллах дүрмийг санаж байвал томъёоны хувиргалтыг ойлгох болно.

Гессийн хуулийн дагуу урвуу болон урагшлах урвалын идэвхжүүлэх энергийн ялгаа нь энтальпийн өөрчлөлт юм (үүнийг дулаан ялгарах үед тохиолддог урвалын энтальпийн диаграммыг зурж, үүнийг мартаж болохгүй. энэ хэрэг Д Н< 0 ):

Яг ижил ялгаа гэж тэмдэглэе Д С:

Хаалтны өмнө яагаад хасах тэмдэг байдгийг тайлбарла.

Бид тэгшитгэлийг авна:

Энэ тэгшитгэлийн хоёр талын логарифмуудыг авч үзье.

Бид хаанаас авах вэ:

Энэ тэгшитгэл нь хими болон бусад шинжлэх ухааны хувьд маш чухал тул гадаадад химийн чиглэлээр суралцдаг олон оюутнууд ийм томьёотой цамц өмсдөг.

Хэрэв Д ГЖ/моль-ээр илэрхийлсэн бол томъёо нь дараах хэлбэртэй байна.

Энэ томъёо нь нэг онцлог шинж чанартай: хэрэв тэнцвэрийн тогтмолыг хийн бодисын даралтаар тодорхойлдог бол атмосфер дахь эдгээр бодисын даралтыг тэнцвэрийн тогтмол байдлын илэрхийлэл болгон орлуулна (1 атм = 101325 Па = 760 мм м.у.б).

Энэ томъёо нь мэдэгдэж буй утгыг өгөх боломжийг олгодог. Д Гурвал, тэнцвэрийн тогтмолыг тооцоолж, улмаар өгөгдсөн температур дахь тэнцвэрийн системийн найрлагыг олж мэдэх. Томъёо нь тэнцвэрийн урвалын холимогт агуулагдах тэнцвэрийн тогтмол, илүү их урвалын бүтээгдэхүүн (урвалын тэгшитгэлийн баруун талд байгаа бодис) байх тусам урвалын изобар потенциалын өөрчлөлт сөрөг болохыг харуулж байна. Мөн эсрэгээр тэнцвэрийн тогтмолын утга бага байх тусам урвалын бүтээгдэхүүн бага байх тусам тэнцвэрийн хольц дахь эхлэлийн бодисууд бага байх тусам сөрөг утга бага байх болно. Д Г.

Тэнцвэрийн тогтмол нь 1-ээс их, изобарын потенциал сөрөг байвал урвалын бүтээгдэхүүн рүү буюу баруун тийш тэнцвэрийг шилжүүлдэг гэж хэлдэг заншилтай. Тэнцвэрийн тогтмол нь 1-ээс бага, изобарын потенциал эерэг байх үед тэнцвэр нь эхлэлийн бодис руу буюу зүүн тийш шилждэг гэж хэлдэг заншилтай.

Тэнцвэрийн тогтмол нь 1-тэй тэнцүү байх үед изобарын потенциал 0-тэй тэнцүү байна.Системийн энэ төлөвийг тэнцвэрийн баруун тийш эсвэл зүүн тийш шилжих хоорондын зааг гэж үздэг. Өгөгдсөн урвалын хувьд изобар потенциалын өөрчлөлт сөрөг байвал ( Д Г<0 ), урвал урагшлах чиглэлд явж болно гэж хэлэх нь заншилтай байдаг; Хэрэв D G>0, тэд хариу үйлдэл нь арилдаггүй гэж хэлдэг.

Тиймээс,

Д Г<0 – урвал явагдах боломжтой (термодинамикийн хувьд боломжтой);

Д Г<0 , Тэр K>1- тэнцвэрийг бүтээгдэхүүн рүү, баруун тийш шилжүүлэх;

D G>0, Тэр TO<1 – тэнцвэр нь эхлэл бодис руу, зүүн тийш шилжсэн.

Хэрэв та сонирхож буй урвал боломжтой эсэхийг олж мэдэх шаардлагатай бол (жишээлбэл, хүссэн будгийн нийлэгжилт боломжтой эсэх, өгөгдсөн эрдсийн найрлага шингээх эсэх, агаар мандлын хүчилтөрөгчийн өнгөт үзүүлэх нөлөө гэх мэт). ), энэ урвалыг тооцоолоход хангалттай Д Г. Хэрэв изобарын потенциалын өөрчлөлт сөрөг болж хувирвал урвал явагдах боломжтой бөгөөд хүссэн бүтээгдэхүүнийг авахын тулд та өөр өөр эхлэлийн материалыг хольж болно.

Өөр өөр температурт изобар потенциалын өөрчлөлт ба тэнцвэрийн тогтмолыг тооцоолохын тулд юу хийх хэрэгтэйг уншина уу (тооцооллын алгоритм).

1. Энгийн бодисоос үүсэх энтальпийн утгыг (298 К температурт) лавлах хүснэгтээс бичнэ үү. D N арр.ба энтропи Схимийн урвалын тэгшитгэлд бичигдсэн бүх бодис. Хэрэв D N арр.кЖ/моль-ээр илэрхийлэгддэг бол тэдгээрийг Ж/моль болгон хувиргах ёстой (яагаад?).

2. Урвалын энтальпийн өөрчлөлтийг (298 К) бүтээгдэхүүн үүсэх энтальпийн нийлбэр ба эхлэлийн бодис үүсэх энтальпийн нийлбэрийн зөрүүгээр стехиометрийн коэффициентийг санаж тооцоол.

3. Урвал дахь энтропийн өөрчлөлтийг (298 К) бүтээгдэхүүний энтропийн нийлбэр ба эхлэлийн бодисын энтропийн нийлбэрийн зөрүүгээр стехиометрийн коэффициентүүдийг санаж тооцоол.

4. Сая олж авсан тоон утгыг өөрийн мэддэг тэгшитгэлдээ орлуулж, урвалын энтальпи, энтропи ба температурын өөрчлөлтөөс изобар потенциалын өөрчлөлтийн хамаарлын тэгшитгэл зохио. D N r-tionТэгээд D S дүүрэг:

5. 298 К стандарт температурт изобар потенциалын өөрчлөлтийг тооцоол.

6. Тэмдгээр D G дүүрэг, 298 стандарт температурт урвал явагдах боломжийн талаар дүгнэлт хийх: хэрэв тэмдэг нь "хасах" бол урвал нь термодинамикийн хувьд боломжтой; Хэрэв тэмдэг нь "нэмэх" бол хариу үйлдэл хийх боломжгүй болно.

7. Тооцоолол хийх D G дүүрэгТаны сонирхож буй T температурт:

температурын өөрчлөлт нь урвалын боломжид хэрхэн нөлөөлж байгаа талаар дүгнэлт гаргана. Хэрэв энэ температурт изобарын потенциалын өөрчлөлт нь харьцангуй бага эерэг эсвэл илүү сөрөг болж хувирав D G 298, тэгвэл энэ температурт урвал илүү их болно.

8. Таны сонирхож буй T температурт өөрийн мэддэг тэгшитгэлээс тэнцвэрийн тогтмол K-ийг тооцоол.

9. Тэнцвэрийн эхлэл бодис руу шилжих тухай дүгнэлт гарга (К<1) или в сторону продуктов (К>1).

Изобарын потенциалын сөрөг өөрчлөлттэй урвал явагдах боломжийн талаар дүгнэлт хийх ( D G дүүрэг<0 ) зөвхөн термодинамик өгөгдөл нь ихэвчлэн хангалтгүй байдаг. Нөхцөл байдал (бодисын концентраци, даралт, температур) өөрчлөгдөх үед, бусад урвалын замаар эсвэл зөв сонгогдсон катализатор байгаа тохиолдолд термодинамикийн хувьд боломжтой урвал кинетикийн хувьд дарангуйлагдаж, хэрэгжих боломжтой болдог.

Талст төмрийн хийн ус (усны уур) -тай урвалын жишээг авч үзье.

Урвалын термодинамик боломжийн талаар хэрхэн олж мэдэх вэ.

Энэ урвал нь метал бүтээгдэхүүний гялбаа буурах, зэврэлтээс болж устах шалтгааныг харуулсан тул сонирхолтой юм.

Юуны өмнө бид урвалын тэгшитгэлийн стехиометрийн коэффициентийг сонгоно.

Лавлагаа хүснэгтээс урвалын бүх оролцогчдын термодинамик өгөгдлийг (температур 298 К) бичнэ үү.

Энтальпийн энтальп нь тэгтэй тэнцүү байдгийг санаж, энэ урвалын энтальпийн өөрчлөлтийг тооцоолъё.

Энтальпийн өөрчлөлтийг J-ээр илэрхийлье.

Урвал нь дулаан ялгарах Q>0, Q=+50 300 Ж/моль дагалддаг бөгөөд энэ нь аяндаа явагддаг гэж үзэх боломжтой болгодог. Гэсэн хэдий ч урвал нь зөвхөн изобарын потенциалын өөрчлөлтийн шинж тэмдгээр аяндаа явагддаг гэж бид итгэлтэйгээр хэлж чадна.

Энэ урвал дахь энтропийн өөрчлөлтийг тооцоолж, стехиометрийн коэффициентийг мартаж болохгүй.

Урвалын үр дүнд системийн энтропи буурдаг тул системд дарааллын өсөлт гарч байгааг тэмдэглэж болно.

Одоо изобар потенциалын өөрчлөлтийн энтальпи, энтропи, температурын өөрчлөлтөөс хамаарах тэгшитгэлийг байгуулъя.

298 К стандарт температурт урвалын изобар потенциалын өөрчлөлтийг тооцоолъё.

Изобарын потенциалын өөрчлөлтийн өндөр сөрөг утга нь өрөөний температурт төмрийг хүчилтөрөгчөөр исэлдүүлж болохыг харуулж байна. Хэрэв та хамгийн нарийн ширхэгтэй төмрийн нунтаг авч чадвал төмөр агаарт хэрхэн шатаж байгааг харах болно. Яагаад индүүдэх бүтээгдэхүүн, баримал, хадаас гэх мэтийг агаарт шатдаггүй вэ? Тооцооллын үр дүнд төмрийг агаарт зэврүүлж, өөрөөр хэлбэл устаж, төмрийн исэл болж хувирдаг болохыг харуулж байна.

Одоо температурын өсөлт нь энэ урвалын боломжид хэрхэн нөлөөлж байгааг харцгаая. 500 К температурт изобар потенциалын өөрчлөлтийг тооцоолъё.

Температур нэмэгдэхийн хэрээр урвалын изобар потенциалын өөрчлөлт сөрөг болж багасдаг болохыг бид олж мэдсэн. Энэ нь температур нэмэгдэх тусам урвалын термодинамикийн магадлал багасч, өөрөөр хэлбэл урвалын тэнцвэрт байдал нь эхлэл бодис руу улам бүр шилжиж байна гэсэн үг юм.

Ямар температурт тэнцвэр нь урвалын бүтээгдэхүүн болон эхлэлийн материалын аль алинд нь адилхан шилжиж байгааг мэдэх нь сонирхолтой юм. Энэ нь хэзээ тохиолддог D G r-tion =0(тэнцвэрийн тогтмол нь 1):

Бид хаанаас авах вэ:

T=150300/168.2=894К, эсвэл 621 хэм.

Энэ температурт урвал нь урагш болон урвуу чиглэлд адилхан явагдана. 621 ° C-аас дээш температурт Fe 3 O 4-ийг устөрөгчөөр бууруулах урвуу урвал давамгайлж эхэлдэг. Энэ урвал нь цэвэр төмрийг олж авах арга замуудын нэг юм (металлургийн хувьд төмрийн ислийг нүүрстөрөгчөөр багасгадаг).

298 К температурт:

Тиймээс температур нэмэгдэх тусам тэнцвэрийн тогтмол байдал буурдаг.

Төмрийн исэл Fe 3 O 4 нь магнетит (соронзон төмрийн хүдэр) гэж нэрлэгддэг. Энэхүү төмрийн исэл нь FeO (вустит) ба Fe 2 O 3 (гематит) оксидүүдээс ялгаатай нь соронзонд татагддаг. Эрт дээр үед Магнус хэмээх хоньчин маш жижиг гонзгой хайрга олж түүнийгээ тарган (яагаад чухал юм бэ?) гараараа аяганд хийж усны гадаргуу дээр тавьсан гэсэн домог байдаг. Хайрга живсэнгүй, усан дээр хөвж эхэлсэн бөгөөд хоньчин аягаа хэрхэн эргүүлсэн ч хайрга үргэлж нэг зүг рүү чиглэв. Луужин ингэж зохион бүтээгдсэн юм шиг, ашигт малтмал нь энэ хоньчны нэрээр нэрээ авсан юм шиг. Хэдийгээр магнетитийг Бага Азийн эртний хот болох Магнезийн нэрээр нэрлэсэн байж магадгүй юм. Магнетит бол төмрийг гаргаж авдаг гол хүдэр юм.

Заримдаа магнетитийн томъёог дараах байдлаар дүрсэлсэн байдаг: FeO Fe 2 O 3 нь магнетит нь хоёр төмрийн исэлээс бүрддэг гэсэн үг юм. Энэ нь буруу: магнетит бол бие даасан бодис юм.

Fe 2 O 3 (гематит) -ийн өөр нэг исэл - улаан төмрийн хүдэр нь улаан өнгөтэй учир ийм нэртэй болсон (Грек хэлнээс орчуулбал цус). Төмрийг гематитаас гаргаж авдаг.

FeO оксид нь байгальд бараг байдаггүй бөгөөд үйлдвэрлэлийн ач холбогдолгүй байдаг.