Что такое химическое равновесие?
Большинство реакций идут в обе стороны одновременно. Прямые молекулы соединяются в продукты, а молекулы продуктов распадаются обратно, и когда две скорости точно уравновешиваются, концентрации замирают на своих равновесных значениях — не потому, что что-то остановилось, а потому, что каждое изменение тут же отменяется. Это замороженное соотношение фиксируется одним числом, константой равновесия K: продукты, возведённые в свои коэффициенты, делённые на реагенты, возведённые в свои. Для реакции Габера N2 + 3H2 = 2NH3 Kc = [NH3]2/([N2][H2]3). K — это счёт в перетягивании каната: намного больше 1 — побеждают продукты, намного меньше — реагенты.
Одно правило, которое нужно запомнить: только температура меняет K. Концентрация, давление и катализаторы могут сдвинуть положение равновесия, но никогда не меняют саму константу.
Kc, Kp и мост между ними
Когда всё растворено, K использует концентрации (Kc); для газов работают и парциальные давления (Kp). Это одна и та же константа в разной одежде, связанная соотношением Kp = Kc(RT)Δn, где Δn — число молекул газа в продуктах минус в реагентах. Для реакции Габера Δn = 2−4 = −2, поэтому Kp намного меньше Kc: при Kc = 4,0 при 500 К пример вычисляет Kp = 2,4×10−3. Термодинамика замыкает круг с другой стороны: ΔG° = −RT ln K, поэтому ΔG° = −10 кДж/моль переводится в K ≈ 57 (продукты выгодны) на панели Гиббса — небольшого выигрыша в свободной энергии уже достаточно для большого соотношения.
Таблицы ICE: учёт подхода
Чтобы предсказать, куда придёт реакция, расположите три строки: Initial — начальные концентрации, Change — изменение как ±коэффициенты·x, Equilibrium — равновесие как их сумма. Затем решите относительно x. Пример ICE начинает N2 + 3H2 с 1,0 и 3,0 М без аммиака при Kc = 4,0; решатель находит x ≈ 0,65, поэтому в равновесии сосуществуют примерно 0,35 М N2, 1,06 М H2 и 1,29 М NH3 — а подстановка их обратно воспроизводит Kc = 4,0, что и есть проверка, которую печатает панель. Учебники допускают упрощение «x мал», если реагирует менее 5%; эта страница вместо этого подбирает решение для полного уравнения, поэтому такое допущение не нужно.
Q и K: в какую сторону отсюда?
Реакционное частное Q — это формула K, применённая к концентрациям, которые существуют прямо сейчас, до достижения равновесия. Их сравнение даёт направление: Q < K — прямая реакция; Q > K — обратная; Q = K — уже в равновесии. Пример Q — яркий случай: при Kc = 4,0, но Q = 4×104, смесь тонет в продуктах, и реакция сильно идёт назад. Q — это то, как химик предсказывает направление предложенной смеси до смешивания и как организм решает, например, будет ли гемоглобин связывать или отдавать кислород.
Ле Шателье: правило напряжения
Нарушьте равновесие, и оно сместится, чтобы компенсировать нарушение. Добавьте реагент → он частично расходуется; уберите продукт → образуется больше; сожмите газовую смесь → она сместится в сторону с меньшим числом молекул газа; нагрейте её → она сместится в эндотермическом направлении. Обратите внимание на мелкий шрифт в блоке ключевой мысли выше: температура — единственное напряжение, которое меняет саму K (она переоценивает весь перетяг каната), тогда как давление и концентрация только переставляют положение. Катализатор не меняет ни того ни другого — он одинаково ускоряет прямую и обратную реакции, поэтому равновесие наступает быстрее, но в точно том же месте. Процесс Габера — промышленный пример: 4 молекулы газа превращаются в 2, поэтому высокое давление толкает к NH3, а температура обменивает выход на скорость.
Распространённые заблуждения
- Равновесие означает, что реакция остановилась. Обе стороны продолжают работать на полной скорости; нулевым является только чистое изменение.
- Добавление реагента повышает K. Оно временно сдвигает положение и Q, затем система возвращается к той же K. Только температура сдвигает K.
- Катализатор повышает выход. Он меняет время достижения равновесия, но никогда его положение. Промышленные выходы меняются через температуру, давление и непрерывное удаление продукта.
- В равновесии концентрации реагентов и продуктов равны. Равные концентрации означают K = 1, и ничего больше. K = 4,0 в примере: продукты уже в четыре раза выгоднее, но явно не равны.
Связанные инструменты: Кислоты, основания и pH (Ka и Kb — константы равновесия), Термохимия (откуда берутся ΔG и K) и Кинетика (скорости, которые задают, как быстро достигается равновесие).
