Що таке хімічна рівновага?
Більшість реакцій відбувається в обидва боки одночасно. Прямі молекули сполучаються в продукти, а молекули продуктів розпадаються назад, і коли дві швидкості точно компенсують одна одну, концентрації застигають на своїх значеннях рівноваги — не тому, що щось зупинилося, а тому, що кожна зміна відразу скасовується. Це застигле співвідношення описує одне число, константа рівноваги K: продукти, піднесені до своїх коефіцієнтів, поділені на реагенти, піднесені до своїх. Для реакції Габера N2 + 3H2 = 2NH3, Kc = [NH3]2/([N2][H2]3). K — це показник перетягування канатом: значно більше 1 — і перемагають продукти, значно менше — реагенти.
Одне правило, яке варто запам'ятати: лише температура змінює K. Концентрація, тиск і каталізатори можуть зміщувати положення рівноваги — але ніколи не змінюють саму константу.
Kc, Kp і міст між ними
Коли все розчинене, K використовує концентрації (Kc); для газів працюють і парціальні тиски (Kp). Це та сама константа в іншому вигляді, пов'язана співвідношенням Kp = Kc(RT)Δn, де Δn — це різниця між кількістю газових молекул у продуктах і реагентах. Для реакції Габера Δn = 2−4 = −2, тож Kp значно менша за Kc: за Kc = 4,0 при 500 K зразок обчислює Kp = 2,4×10−3. Термодинаміка замикає коло з іншого боку: ΔG° = −RT ln K, тож ΔG° = −10 кДж/моль перетворюється на K ≈ 57 (переважають продукти) на панелі Гіббса — невелика перевага у вільній енергії вже дає велике співвідношення.
Таблиці ICE: облік наближення
Щоб передбачити, куди прийде реакція, складіть три рядки: Initial — початкові концентрації, Change — зміни як ±коефіцієнти·x, Equilibrium — рівноважні як їх сума. Потім розв'яжіть для x. Зразок ICE починає N2 + 3H2 з 1,0 і 3,0 M без аміаку та Kc = 4,0; розв'язувач знаходить x ≈ 0,65, тож у рівновазі співіснують близько 0,35 M N2, 1,06 M H2 і 1,29 M NH3 — а підстановка їх назад відтворює Kc = 4,0, що і є саме тією перевіркою, яку друкує панель. Підручники дозволяють скорочення «x мале», якщо реагує менше 5%; ця сторінка натомість розв'язує повне рівняння методом бісекції, тож таке припущення не потрібне.
Q проти K: в який бік далі?
Реакційне співвідношення Q — це формула K, застосована до концентрацій, які існують зараз, до досягнення рівноваги. Порівняння дає напрямок: Q < K — вперед; Q > K — назад; Q = K — уже рівновага. Зразок Q — показовий випадок: за Kc = 4,0, але Q = 4×104, суміш потопає в продуктах, і реакція різко йде назад. Q — це спосіб, яким хімік передбачає напрямок запропонованої суміші до її змішування, і спосіб, яким організм вирішує, наприклад, чи захопить гемоглобін кисень, чи віддасть його.
Ле Шательє: правило напруги
Збуріть рівновагу — і вона зміститься, щоб компенсувати збурення. Додайте реагент → частина його витрачається; вилучіть продукт → утворюється більше; стисніть газову суміш → вона зміститься до боку з меншою кількістю газових молекул; нагрійте її → вона зміститься в ендотермічному напрямку. Зверніть увагу на дрібний шрифт у ключовій панелі вище: температура — єдиний чинник, що справді змінює саме K (вона переоцінює весь перетяг канатом), тоді як тиск і концентрація лише перепозиціонують його. Каталізатор не змінює ні того, ні іншого: він прискорює прямий і зворотний процеси однаково, тож рівновага досягається швидше, але в точно тому самому місці. Процес Габера — промисловий приклад: 4 газові молекули стають 2, тож високий тиск зміщує до NH3, тоді як температура обмінює вихід на швидкість.
Поширені хибні уявлення
- Рівновага означає, що реакція зупинилась. В обидва боки реакції йдуть з повною швидкістю; нульовою є лише чиста зміна.
- Додавання реагенту підвищує K. Воно зсуває положення вперед і тимчасово Q, а потім система повертається до того самого K. Лише температура змінює K.
- Каталізатор підвищує вихід. Він змінює час досягнення рівноваги, але ніколи не її положення. Промислові виходи змінюють температурою, тиском і безперервним відведенням продукту.
- У рівновазі концентрації реагентів і продуктів рівні. Рівні концентрації означають K = 1, не більше. K = 4,0 у зразку: продукти вже в чотири рази переважають, але явно не рівні.
Пов'язані інструменти: Кислоти–основи і pH (Ka і Kb — константи рівноваги), Термохімія (звідки беруться ΔG і K) і Кінетика (швидкості, які визначають, як швидко досягається рівновага).
