Реакционное отношение
Куда пойдёт реакция
Константа описывает равновесие, а что делать, если смесь не в равновесии? Нужно посчитать реакционное отношение \(Q\) — то же выражение, что и \(K\), но для текущих концентраций — и сравнить.
| Соотношение | Направление | Смысл |
|---|---|---|
| \(Q < K\) | вправо → | продуктов меньше, чем в равновесии |
| \(Q > K\) | ← влево | продуктов больше, чем в равновесии |
| \(Q = K\) | равновесие | состав не меняется |
Связь с термодинамикой: \(\Delta G = \Delta G^\circ + RT\ln Q = RT\ln\dfrac{Q}{K}\). При \(Q < K\) логарифм отрицателен — процесс идёт.
edit_noteБертолле и сода
Реакция \(\ce{CaCO3 + 2NaCl <=> Na2CO3 + CaCl2}\) в колбе идёт влево: её константа очень мала. Но на берегах египетских озёр рассол годами просачивается через известняк, хлорид кальция уносится водой в грунт, а сода выкристаллизовывается при испарении. Продукты непрерывно уходят, \(Q\) остаётся меньше \(K\) — и «невозможная» реакция идёт. Бертолле увидел то, что сегодня описывают сравнением \(Q\) и \(K\).
scienceНаправление меняется от состава
- \(\ce{3Fe + 4H2O <=> Fe3O4 + 4H2}\) — в токе водяного пара железо окисляется, в токе водорода магнетит восстанавливается: всё решает отношение \(p(\ce{H2O})/p(\ce{H2})\). Так Лавуазье разложил воду (1783), а в 1794 году французские военные наполняли водородом аэростаты.
- \(\ce{CaCO3 <=> CaO + CO2}\) — в печи \(\ce{CO2}\) уносится (\(Q < K\)), в закрытом сосуде разложение останавливается.
- \(\ce{AgCl (тв) + I- <=> AgI (тв) + Cl-}\) — хлорид серебра «перекрашивается» в жёлтый иодид: \(K\) огромна.
Реакционное отношение с твёрдыми фазами и в растворах
Правило «твёрдые не входят» действует и для \(Q\). Поэтому для гетерогенных равновесий сравнение делается по газам или ионам в растворе.
edit_noteРастворение или осаждение?
Для \(\ce{AgCl (тв) <=> Ag+ + Cl-}\) \(K = 1{,}8\cdot10^{-10}\) (произведение растворимости). Если в растворе \([\ce{Ag+}] = 10^{-4}\) и \([\ce{Cl-}] = 10^{-4}\) М, то \(Q = 10^{-8} > K\) — выпадет осадок. Если концентрации по \(10^{-6}\) М, \(Q = 10^{-12} < K\) — осадок растворяется (если он есть).
boltТри шага
- Запишите выражение (твёрдые и растворитель не входят). 2. Подставьте текущие значения. 3. Сравните с \(K\) и помните: система всегда движется так, чтобы \(Q\) приближалось к \(K\).
scienceОсадки и газы в роли «переключателей»
- \(\ce{Ba^2+ + SO4^2- <=> BaSO4 v}\) — осадок выпадает, когда произведение концентраций превышает ПР.
- \(\ce{CaCO3 + CO2 + H2O <=> Ca(HCO3)2}\) — в пещерах при уходе \(\ce{CO2}\) равновесие смещается влево, и растут сталактиты.
- \(\ce{Mg(OH)2 (тв) + 2NH4+ <=> Mg^2+ + 2NH3 + 2H2O}\) — гидроксид магния растворяется в солях аммония: ионы аммония связывают \(\ce{OH-}\) и держат \(Q\) ниже ПР.
Реакционное отношение через давления
Для газов \(Q\) удобно считать через парциальные давления: \(p_i = x_ip\), где \(x_i\) — мольная доля, \(p\) — общее давление.
edit_noteБурый газ
\(\ce{N2O4 <=> 2NO2}\), \(K_p = 0{,}15\) при 25 °C. В сосуде 0,20 бар \(\ce{NO2}\) и 0,50 бар \(\ce{N2O4}\): \(Q = 0{,}20^2/0{,}50 = 0{,}08 < 0{,}15\) — часть \(\ce{N2O4}\) продиссоциирует, и смесь побуреет.
boltОтношение вместо давлений
Если \(\Delta n = 0\) по газам, \(Q\) зависит только от отношения давлений. Так, для \(\ce{3Fe + 4H2O <=> Fe3O4 + 4H2}\) всё решает отношение \(p(\ce{H2})/p(\ce{H2O})\) — металлурги пользуются этим, выбирая защитную атмосферу печей.
scienceГазовые смеси, решающие судьбу металла
- \(\ce{FeO + CO <=> Fe + CO2}\) — в доменной печи оксид восстанавливается, если отношение \(p(\ce{CO})/p(\ce{CO2})\) больше равновесного.
- \(\ce{C + CO2 <=> 2CO}\) — равновесие Будуара: выше 700 °C преобладает \(\ce{CO}\), поэтому в горне кокс даёт восстановитель.
- \(\ce{NiO + H2 <=> Ni + H2O}\) — никелевый катализатор восстанавливают водородом, унося пар.
push_pinГлавное
Реакционное отношение \(Q\) записывают так же, как константу, но для текущего состава. \(Q < K\) — реакция идёт вправо (продуктов «не хватает»), \(Q > K\) — влево, \(Q = K\) — равновесие. Это количественная форма принципа «куда реакция пойдёт»: \(\Delta G = RT\ln(Q/K)\) отрицательно при \(Q < K\).
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.