Динамическое равновесие

10 заданий

Реакция, которая не доходит до конца

Нагреем в запаянной колбе до 450 °C смесь водорода с парами фиолетового иода. Окраска бледнеет — идёт реакция \(\ce{H2 + I2 -> 2HI}\). Но совсем она не исчезает: через некоторое время цвет перестаёт меняться, хотя иода в колбе ещё много.

Теперь возьмём другую колбу с чистым иодоводородом — это бесцветный газ. При той же температуре в ней появляется фиолетовый оттенок, и вскоре она выглядит точно так же, как первая.

Реакция водорода с иодом при 723 К: с какой стороны ни начать, смесь приходит к одному и тому же составу

Обе колбы пришли в одно и то же состояние — химическое равновесие.

bookmarkХимическое равновесие

Состояние, в котором состав смеси не меняется со временем, хотя прямая и обратная реакции продолжают идти: за единицу времени образуется столько же молекул продукта, сколько распадается.

Две стрелки в записи \(\ce{H2 + I2 <=> 2HI}\) напоминают, что реакция идёт в обе стороны. В равновесии концентрации постоянны, но вовсе не обязательно равны: в нашей колбе иодоводорода в семь раз больше, чем водорода.

infoИз истории

Мысль, что реакции могут идти в обе стороны, пришла к Клоду Луи Бертолле в Египте, куда он отправился с экспедицией Наполеона (1798–1799). На берегах солёных озёр он увидел налёт соды: из поваренной соли и известняка там самопроизвольно образуется карбонат натрия — хотя в лаборатории идёт как раз обратная реакция. Бертолле объяснил это огромным избытком соли в озёрах: направление реакции зависит не только от «сродства» веществ, но и от их количеств.

Равенство скоростей

Почему смесь останавливается именно на этом составе? Проще всего понять это на реакции \(\ce{A <=> B}\), идущей в одну стадию. Скорость прямой реакции пропорциональна концентрации A, обратной — концентрации B:

\[v_\to = k_\to[\ce{A}], \qquad v_\leftarrow = k_\leftarrow[\ce{B}].\]

Вначале есть только A: прямая реакция идёт быстро, обратной нет вовсе. По мере накопления B прямая реакция замедляется, обратная ускоряется — пока скорости не сравняются:

\[k_\to[\ce{A}] = k_\leftarrow[\ce{B}] \quad\Rightarrow\quad \frac{[\ce{B}]}{[\ce{A}]} = \frac{k_\to}{k_\leftarrow} = K.\]

Скорости прямой и обратной реакций сближаются и становятся равными — с этого момента состав не меняется

Отношение концентраций в равновесии оказывается постоянным числом — константой равновесия. Этот вывод годится для одностадийной реакции; для любой реакции постоянство константы следует из термодинамики (уроки 44 и 47).

edit_noteМеченые атомы

Добавим в равновесную смесь немного радиоактивного иода \(\ce{^{131}I2}\). Состав смеси не изменится, но вскоре радиоактивность обнаружится и в иодоводороде: молекулы \(\ce{HI}\) продолжают распадаться и образовываться. Равновесие динамическое.

Постоянство — ещё не равновесие

Состав смеси может не меняться и по другим причинам.

Заторможенная смесь. Водород с кислородом при комнатной температуре не реагируют годами: скорость ничтожна (урок 42). Внесите платиновую проволоку — и смесь взорвётся. С настоящим равновесием так не бывает: катализатор ускоряет прямую и обратную реакции одинаково и равновесного состава не меняет.
Стационарное состояние. В проточном реакторе или живой клетке концентрации постоянны, потому что вещества всё время поступают и уходят. Перекройте потоки — и состав начнёт меняться.

task_altКак узнать настоящее равновесие

К тому же составу приходят с обеих сторон; после небольшой добавки любого участника смесь возвращается к равновесию; катализатор состава не меняет.

push_pinГлавное

В равновесии состав смеси не меняется, но обе реакции продолжаются с равными скоростями. К одному и тому же равновесному составу приходят и со стороны реагентов, и со стороны продуктов. Постоянство состава ещё не доказывает равновесия: смесь может быть заторможена или поддерживаться потоками веществ.

Закрепите теорию: 10 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.