Równowaga chemiczna i tworzenie warunków dla jej przemieszczenia

Badanie parametrów układu, w tym materiałów wyjściowych i produktów reakcji, pozwala nam określić, które czynniki przesuwają równowagę chemiczną i prowadzą do pożądanych zmian. Na podstawie ustaleń Le Chateliera, Browna i innych naukowców na temat sposobów przeprowadzania odwracalnych reakcji, opierają się technologie przemysłowe, które umożliwiają realizację pozornie niemożliwych procesów i uzyskanie korzyści ekonomicznych.

Różnorodność procesów chemicznych

Zgodnie ze specyfiką efektu cieplnego, wiele reakcji przypisuje się egzo- lub endotermicznemu. Najpierw powstaje ciepło, na przykład utlenianie węgla, uwodnienie stężonego kwasu siarkowego. Drugi rodzaj zmiany wiąże się z absorpcją energii cieplnej. Przykłady reakcji endotermicznych: próchnica węglan wapnia z edukacją wapno hydratyzowane i dwutlenek węgla powstawanie wodoru i węgla podczas termicznego rozkładu metanu. W równaniach procesów egzotermicznych i endotermicznych konieczne jest wskazanie efektu cieplnego. Redystrybucja elektronów między atomami reagujących substancji zachodzi w reakcjach redoks. Cztery rodzaje procesów chemicznych wyróżniają się charakterystyką odczynników i produktów:

• związek A + B = C;
• rozkład C = A + B;
• podstawienie AB + C = AC + B;
• wymień AB + SD = AC + VD.

Aby scharakteryzować procesy, ważna jest kompletność interakcji reagujących związków. Ta cecha leży u podstaw podziału reakcji na odwracalne i nieodwracalne.

Odwracalność reakcji

Procesy odwracalne składają się na większość zjawisk chemicznych. Tworzenie produktów końcowych z odczynników jest reakcją bezpośrednią. Na odwrót, oryginalne substancje są otrzymywane z produktów ich rozkładu lub syntezy. Równowaga chemiczna zachodzi w mieszaninie reakcyjnej, w której powstaje tyle związków, ile początkowe cząsteczki ulegają rozkładowi. W procesach odwracalnych zamiast znaku "=" między odczynnikami i produktami stosuje się symbole "↔" lub "⇌". Strzałki mogą mieć różną długość ze względu na dominację jednej z reakcji. W równaniach chemicznych można wskazać agregacyjną charakterystykę substancji (d - gazów, g - cieczy, t - stałych). Duże znaczenie praktyczne mają naukowo oparte metody wpływu na procesy odwracalne. Tak więc produkcja amoniaku stała się opłacalna po stworzeniu warunków, które przesuwają równowagę w kierunku tworzenia docelowego produktu: 3H2 _(g) + N2 _(g) 2NH3 _(g) . Nieodwracalne zjawiska prowadzą do pojawienia się nierozpuszczalnego lub słabo rozpuszczalnego związku, powstawania gazu opuszczającego sferę reakcji. Procesy te obejmują wymianę jonową, rozkład substancji.

Równowaga chemiczna i warunki jej przemieszczenia

Na charakterystykę procesów bezpośrednich i wstecznych wpływa kilka czynników. Jednym z nich jest czas. Stężenie substancji pobranej do reakcji stopniowo zmniejsza się, a stężenie końcowego związku wzrasta. Reakcja kierunku do przodu jest wolniejsza, proces odwrotny przyspiesza. W pewnym odstępie czasu dwa przeciwne procesy przebiegają synchronicznie. Interakcja między substancjami występuje, ale stężenia się nie zmieniają. Powodem jest dynamiczna równowaga chemiczna ustanowiona w systemie. Jego zachowanie lub zmiana zależy od:

• warunki temperaturowe;
• stężenia związków;
• ciśnienie (dla gazów).

Przesunięcie równowagi chemicznej

W 1884 r. Wybitny naukowiec z Francji, A. L. Le Chatelier, zaproponował opis, jak uzyskać system ze stanu dynamicznej równowagi. Metoda opiera się na zasadzie niwelowania działania czynników zewnętrznych. Le Chatelier zauważył, że w mieszaninie reakcyjnej występują procesy kompensujące wpływ sił zewnętrznych. Zasada sformułowana przez francuskiego badacza stwierdza, że ​​zmiana warunków w stanie równowagi sprzyja reakcji, która osłabia efekt uboczny. Przesunięcie równowagi jest zgodne z tą zasadą, obserwuje się ją, gdy zmienia się skład, warunki temperaturowe i ciśnienie. Technologie oparte na odkryciach naukowców są wykorzystywane w przemyśle. Wiele procesów chemicznych, które uznano za praktycznie niepraktyczne, przeprowadza się za pomocą metod zmiany równowagi.

Wpływ koncentracji

Przesunięcie w równowadze występuje, gdy pewne składniki są usuwane ze strefy oddziaływania, lub dodawane są dodatkowe części substancji. Usuwanie produktów z mieszaniny reakcyjnej zwykle powoduje wzrost szybkości ich powstawania, a dodanie substancji, wręcz przeciwnie, prowadzi do ich preferencyjnego rozkładu. W procesie estryfikacji do zastosowania odwodnienia kwas siarkowy. Po wprowadzeniu do sfery reakcyjnej wzrasta wydajność octanu metylu: CH ₃ COOH + CH ₃ OH О CH ₃ COOCH ³ + H ₂ O. Jeśli doda się tlen, który oddziałuje z dwutlenek siarki, Ta równowaga chemiczna przesuwa się w kierunku bezpośredniej reakcji tworzenia trójtlenku siarki. Tlen wiąże się z cząsteczkami SO ₃ , jego stężenie maleje, co jest zgodne z regułą Le Chateliera dotyczącą procesów odwracalnych.

Zmiana temperatury

Procesy z absorpcją lub wytwarzaniem ciepła są endo- i egzotermiczne. Aby przesunąć równowagę, stosuje się ciepło lub ciepło z mieszaniny reakcyjnej. Wzrostowi temperatury towarzyszy wzrost tempa zjawisk endotermicznych, w których pochłaniana jest dodatkowa energia. Chłodzenie prowadzi do korzyści egzotermicznych procesów z wydzielaniem ciepła. Kiedy dwutlenek węgla oddziałuje z węglem, grzaniu towarzyszy wzrost stężenia tlenku, a chłodzenie prowadzi do dominującego tworzenia się sadzy: C02 _(g) + C _{(t) 2} CO _(g) .

Efekt ciśnienia

Zmiana ciśnienia jest ważnym czynnikiem do reakcji mieszanin, które zawierają związki gazowe. Powinieneś również zwrócić uwagę na różnicę w ilości oryginalnych i wynikowych substancji. Spadek ciśnienia prowadzi do dominującego przebiegu zjawisk, w których wzrasta całkowita objętość wszystkich składników. Wzrost ciśnienia kieruje proces w kierunku zmniejszenia objętości całego układu. Ten wzór obserwuje się w reakcji tworzenia amoniaku: 0,5N _{2 (g)} + 1,5H _{2 (g)} ⇌ NH3 _(g) . Zmiana ciśnienia nie wpłynie na równowagę chemiczną reakcji, które zachodzą w stałej objętości.

Optymalne warunki do realizacji procesu chemicznego

Stworzenie warunków do zmiany równowagi w dużej mierze determinuje rozwój nowoczesnych technologii chemicznych. Praktyczne wykorzystanie teorii naukowej przyczynia się do uzyskania optymalnych wyników produkcyjnych. Najbardziej uderzającym przykładem jest produkcja amoniaku: 0,5N _{2 (g)} + 1,5H _{2 (g)} ⇌ NH _{3 (g)} . Zwiększenie zawartości cząsteczek N ₂ i H ₂ w układzie jest korzystne dla syntezy złożonej substancji z prostych. Reakcji towarzyszy wydzielanie ciepła, więc obniżenie temperatury spowoduje wzrost stężenia NH3. Objętość początkowych składników jest większa niż docelowy produkt. Wzrost ciśnienia zwiększy wydajność NH3.

W warunkach produkcyjnych dobierany jest optymalny stosunek wszystkich parametrów (temperatura, stężenie, ciśnienie). Ponadto ważny jest obszar kontaktu między odczynnikami. W stałych heterogenicznych układach zwiększenie powierzchni prowadzi do zwiększenia szybkości reakcji. Katalizatory zwiększają szybkość reakcji bezpośrednich i odwrotnych. Zastosowanie substancji o takich właściwościach nie zastępuje równowagi chemicznej, ale przyspiesza jej początek.