Химическое равновесие 

Состояние реагирующей смеси, когда столько же молекул каждого вещества образуется, сколько расходуется, называется химическим равновесием. Состав смеси, находящейся в состоянии химического равновесия, называется равновесным. 

Мы знаем, что некоторые химические реакции могут идти в двух взаимно противоположных направлениях. Примерами таких реакций могут служить образование и разложение воды, сернистой кислоты, окиси ртути и др.

Рассмотрим с этой точки зрений реакцию окисления диоксида серы:

 

2SO2 + O2 = 2SO3 + Q

Если пропускать серный ангидрид над тем же катализатором, который применялся для окисления диоксида серы, и поддерживать при этом ту же температуру, то обнаружится, что серный ангидрид разлагается на диоксид серы и кислород, т. е. протекает реакция:

 

2SO3 = 2SO2 + O2 – Q

Одну из этих реакций, например окисление диоксида серы, можно назвать прямой реакцией, а другую – обратной.

Нет надобности писать два отдельных уравнения для этих реакций. Можно объединить оба уравнения в одно, заменив знак равенства на две, направленные в противоположные стороны стрелки:

 

2SO2 + O2 ? 2SO3

Химические реакции, которые протекают при одних и тех же условиях в противоположных направлениях, называются обратимыми.

Более детальное исследование окисления диоксида серы и разложения серного ангидрида показало, что скорости как прямой, так и обратной реакции в соответствии с общей закономерностью увеличиваются при повышении температуры. Однако обнаруживается следующее явление: при 400° С окисляется максимально 99,2% диоксида серы, при 500° С –93,5%, при 600° С – 73,0%, при 1000° С – только 5%. Сколь бы долго ни проводилась реакция при данной температуре, в газовой смеси остается непрореагировавшая диоксид серы. Обратная реакция также не доходит до конца. В смеси остается неразложившийся серный ангидрид, и притом как раз столько, сколько его образуется при тех же условиях из диоксида серы и кислорода.

Возникает вопрос: почему обратимые реакции не доходят до конца, а достигнув определенного предела, как бы прекращаются? Для того чтобы получить ответ на этот вопрос, проследим, как в ходе окисления диоксида серы (при постоянных температуре и давлении) изменяется скорость прямой и обратной реакций.

Концентрации двуокиси серы и кислорода в газовой смеси постепенно уменьшаются, соответственно падает скорость окисления, скорость прямой реакции vпр. Наоборот, концентрация серного ангидрида в образующейся газовой смеси постепенно увеличивается и, следовательно, скорость обратной реакции vобр растет. Через некоторое время, очевидно, скорости прямой и обратной реакций становятся равными:

 

vпр = vобр

Как прямая, так и обратная реакции продолжают идти, но состав смеси веществ, вследствие равенства скоростей этих реакций, остается постоянным.

Приведенные выше данные о максимальной степени окисления двуокиси серы характеризуют равновесный состав смеси при разных температурах. С повышением температуры содержание серного ангидрида в такой смеси уменьшается. Почему?

При повышении температуры скорости прямой и обратной реакций растут неодинаково: скорость обратной реакции разложения серного ангидрида растет быстрее, чем скорость прямой реакции. Заметим, что прямая реакция экзотермическая, а обратная – эндотермическая.

В данном случае проявляется общая закономерность, характеризующая зависимость равновесия от температуры: при повышении температуры равновесие экзотермической реакции смещается в сторону исходных веществ, а равновесие эндотермической реакции смещается в сторону продуктов реакции.

Влияет ли катализатор на состояние равновесия? Ответ на этот вопрос можно получить опытным путем, проводя реакции на разных катализаторах. Оказывается, например, что какой бы катализатор ни применялся для окисления двуокиси серы, максимально окисляется при одних и тех же прочих условиях одинаковая доля двуокиси серы. Это общая закономерность. Катализатор ускоряет как прямую, так и обратную реакции, но не смещает равновесия.

НАУЧНЫЕ РАЗДЕЛЫ