78344

Химическое равновесие

Реферат

Химия и фармакология

Необратимые и обратимые химические реакции. Химические реакции можно разбить на две группы: необратимые и обратимые реакции. Необратимые реакции протекают до конца до полного израсходования одного из реагирующих веществ. Обратимые реакции протекают не до конца: при обратимой реакции ни одно из реагирующих веществ не расходуется полностью.

Русский

2015-02-07

36.98 KB

2 чел.

Тема: Химическое равновесие.

План:

  1.  Необратимые и обратимые  химические реакции. Химическое равновесие.
  2.  Смещение химического равновесия. Принцип Ле-Шателье.
  3.  Факторы, определяющие направление химических реакций.
  4.  Правило фаз Гиббса
  5.  Сорбция и сорбционные процессы.
  6.  Хроматография.

1.

Химические реакции можно разбить на две группы: необратимые и обратимые реакции. Необратимые реакции протекают до конца — до полного израсходования одного из реагирующих веществ. Обратимые реакции протекают не до конца: при обратимой реакции ни одно из реагирующих веществ не расходуется полностью. Это различие связано с тем, что необратимая реакция может протекать только в одном направлении. Обратимая же реакция может протекать как в прямом, так и в обратном направлениях.

Взаимодействие между цинком и концентрированной азотной кислотой. При достаточном количестве азотной кислоты реакция закончатся только тогда, когда весь цинк растворится. Кроме того, если попытаться провести эту реакцию в обратном направлении — пропускать диоксид азота через раствор нитрата цинка, то металлического цника и азотной кислоты не получится — данная реакция не может протекать в обратном направлении. Таким образом, взаимодействие цинка с азотной кислотой — необратимая реакция.

Синтез аммиака. Если смешать один моль азота с тремя молями водорода, осуществить в системе условия, благоприятствующие протеканию реакции, и по истечении достаточного времени произвести анализ газовой смеси, то результаты анализа покажут, что в системе будет присутствовать не только продукт реакции (аммиак), но и исходные вещества (азот и водород). Если теперь в те же условия в качестве исходного вещества поместить не азото-водородную смесь, а аммиак, то можно будет обнаружить, что часть аммиака разложится на азот и водород, причем конечное соотношение между количествами всех трех веществ будет такое же, как в том случае, когда исходили из смеси азота с водородом. Таким образом, синтез аммиака — обратимая реакция.

В уравнениях обратимых реакций вместо знака равенства можно ставить стрелки; они символизируют протекание реакции как в прямом, так и обратном направлениях.

Зависимость скоростей прямой и обратной реакций от времени t. При равенстве этих скоростей наступает химическое равновесие.

По мере протекания реакции исходные вещества расходуются и их концентрации падают. В результате этого уменьшается скорость прямой реакции. Одновременно появляются продукты реакции, и их концентрация возрастает. Вследствие этого начинает идти обратная реакция. Когда скорости прямой и обратной реакций становятся одинаковыми, наступает химическое равновесие. Так, в последнем примере устанавливается равновесие между азотом, водородом и аммиаком.

Химическое равновесие называют динамическим равновесием. Этим подчеркивается, что при равновесии протекают и прямая, и обратная реакции, но их скорости одинаковы, вследствие чего изменений в системе не заметно.

Количественной характеристикой химического равновесия служит величина, называемая константой химического равновесия. Рассмотрим ее на примере реакции синтеза иодо-водорода

Таким образом, при постоянной температуре константа равновесия обратимой реакции представляет собой постоянную величину, показывающую то соотношение между концентрациями продуктов реакции (числитель) и исходных веществ (знаменатель), которое устанавливается при равновесии.

Уравнение константы равновесия показывает, что в условиях равновесия концентрации всех веществ, участвующих в реакции, связаны между собою. Изменение концентрации любого из этих веществ влечет за собою изменения концентраций всех остальных веществ; в итоге устанавливаются новые концентрации, но соотношение между ними вновь отвечает константе равновесия.

Численное значение константы равновесия в первом приближении характеризует выход данной реакции, т.е. отношение количества получаемого вещества к тому его количеству, которое получилось бы при протекании реакции до конца.

Величина константы равновесия зависит от природы реагирующих веществ и от температуры. От присутствия катализаторов она не зависит.

2.

Если система находится в состоянии равновесия, то она будет пребывать в нем до тех пор, пока внешние условия сохраняются постоянными. Если же условия изменятся, то система выйдет из равновесия — скорости прямого и обратного процессов изменятся неодинаково — будет протекать реакция. Наибольшее значение имеют случаи нарушения равновесия вследствие изменения концентрации какого-либо из веществ, участвующих в равновесии, давления или температуры.

Положение химического равновесия зависит от следующих параметров реакции: температуры, давления и концентрации. Влияние, которое оказывают эти факторы на химическую реакцию, подчиняются закономерности, которая была высказана в общем виде в 1884 году французским ученым Ле-Шателье. Современная формулировка принципа Ле-Шателье такова:

Если на систему,находящуюся в состоянии равновесия, оказать внешнее воздействие, то система перейдет в другое состояние так, чтобы уменьшить эффект внешнего воздействия.

1. Влияние температуры. В каждой обратимой реакции одно из направлений отвечает экзотермическому процессу, а другое - эндотермическому.

N2 + 3H2 2NH3 + Q

Прямая реакция - экзотермическая, а обратная реакция - эндотермическая. Влияние изменения температуры на положение химического равновесия подчиняется следующим правилам:

При повышении температуры химическое равновесие смещается в направлении эндотермической реакции, при понижении температуры - в направлении экзотермической реакции.

2. Влияние давления. Во всех реакциях с участием газообразных веществ, сопровождающихся изменением объема за счет изменения количества вещества при переходе от исходных веществ к продуктам, на положение равновесия влияет давление в системе.Влияние давления на положение равновесия подчиняется следующим правилам:

При повышении давления равновесие сдвигается в направлении образования веществ (исходных или продуктов) с меньшим объемом;
при понижении давления равновесие сдвигается в направлении образования веществ с большим объемом

Таким образом, при переходе от исходных веществ к продуктам объем газов уменьшился вдвое. Значит, при повышении давления равновесие смещается в сторону образования NH3, о чем свидетельствуют следующие данные для реакции синтеза аммиака при 400 0С:

давление, МПа

0,1

10

20

30

60

100

объемная доля NH3, %

0,4

26

36

46

66

80

3. Влияние концентрации. Влияние концентрации на состояние равновесия подчиняется следующим правилам:

При повышении концентрации одного из исходных веществ равновесие сдвигается в направлении образования продуктов реакции;
при повышении концентрации одного из продуктов реакции равновесие сдвигается в направлении образования исходных веществ.

3.

Известно, что в механических системах устойчивое равновесие соответствует минимуму потенциальной энергии системы. Так, шарик самопроизвольно скатывается из положения а на наклонной поверхности , причем его потенциальная энергия переходит сначала в кинетическую энергию движения шарика как целого, .а затем в энергию теплового движения молекул. В положении б шарик находится в равновесии.

Естественно предположить, что и химические процессы должны самопроизвольно протекать в направлении уменьшения внутренней энергии системы, т.е. в направлении, отвечающем положительному тепловому эффекту реакции. Действительно, опыт показывает, что при обычных условиях самопроизвольно протекают преимущественно экзотермические реакции.

В отсутствие катализатора скорость этой реакции при обычных условиях крайне мала. Однако при наличии катализатора (например, платинированного асбеста) процесс образования воды протекает с большой скоростью.

Однако попытка объяснить направленность химических процессов только стремлением к минимуму внутренней энергии приводит к противоречиям с фактами. Так, уже при обычных температурах самопроизвольно протекают эндотермические процессы растворения многих солей и некоторые эндотермические химические реакции. С повышением температуры все большее число реакций начинает самопроизвольно протекать в направлении эндотермического процесса; примерами таких реакций могут служить упомянутое выше разложение воды или протекающий при высоких температурах синтез оксида азота(II);

Более того, принцип стремления к минимуму внутренней энергии требует, чтобы все экзотермические реакции доходили до конца, т. е. исключает возможность обратимых реакций; однако такие реакции реально существуют.

Вспомним теперь, что среди механических систем имеются такие, поведение которых тоже нельзя описать только направленностью процессов к достижению минимума потенциальной энергии. Это системы, состоящие из очень большого числа частиц. Например, молекулы, входящие в состав воздуха, распределяются вокруг Земли в виде атмосферы многокилометровой толщины, но не падают на Землю, хотя минимуму потенциальной энергии каждой молекулы соответствует наиболее низкое ее положение.

Из громадного числа частиц состоят и химические системы. Поэтому неудивительно, что и здесь тенденция к достижению минимума внутренней энергии не является единственным фактором,, определяющим их поведение.

4.

Правило фаз Гиббса (правило фаз), для любой термодинамически равновесной системы число параметров состояния (v), к-рые можно изменять, сохраняя число существующих фаз (j) неизмененным, определяется выражением:

v=k+n-j,

где k — число компонентов системы, n — число параметров состояния системы, имеющих одно и то же значение во всех фазах (обычно темп-pa Т и давление р).

Величину v иногда наз. вариантностью системы. Правило фаз было выведено Дж. У. Гиббсом (1876) из условий термодинамического равновесия многокомпонентных систем.

Правило справедливо при след. предположениях: 1) фазы имеют достаточно большие размеры, так что поверхностными явлениями можно пренебречь; 2) каждый компонент может проходить через поверхности раздела фаз (полупроницаемые перегородки отсутствуют). Если равновесное состояние системы определяется двумя параметрами (напр., Т и р), то v=k+2-j. Значения v<0 не имеют физ. смысла, следовательно, j£k+2, т. е. число фаз, сосуществующих в равновесии, не может превосходить числа независимых компонентов более чем на 2. При v=0 (безвариантная, или нонвариантная, система) равновесие имеет место при вполне определ. значениях Т, р к составах каждой фазы. Условие v=0 определяет, следовательно, наибольшее возможное число фаз (jмакс) в равновесной системе, составленной из определ. числа компонентов. Для k=1 (индивидуальное в-во, напр. вода) jмакс=3 (в равновесии могут находиться пар, лёд, вода, см. Тройная точка), для k=2 (бинарная система, напр. вода и соль) jмакс=4 (соль, лёд, жидкий р-р, пар) и т. д. При v=1 (одновариантная, или моновариантная, система) одну из переменных, напр. Т, можно варьировать, тогда др. переменные (р, концентрации) в условиях равновесия будут полностью определяться темп-рой.

5.

Со́рбция (от лат. sorbeo — поглощаю) - поглощение твёрдым телом или жидкостью вещества из окружающей среды.

Поглощающее тело называется сорбентом , поглощаемое им вещество — сорбатом (или сорбтивом). В зависимости от механизма сорбции различают:

Адсорбция (от лат. ad — на, при и sorbeo — поглощаю) -поглощение к.-л. вещества из газообразной среды или раствора поверхностным слоем жидкости или твёрдого тела. Например, если поместить в водный раствор уксусной кислоты кусочек угля, то произойдёт.

Абсорбция (лат. absorptio — поглощение, от absorbeo — поглощаю- поглощение веществ из газовой смеси жидкостями. При абсорции. абсорбент поглощает всем своим объёмом. Скорость А. зависит от того, насколько концентрация поглощаемого газа в газовой смеси превосходит концентрацию этого компонента над раствором.

Хемосорбция - химическая сорбция, поглощение жидкостью или твёрдым телом веществ из окружающей среды, сопровождающееся образованием химических соединений. В более узком смысле хемосорбция. рассматривают как химическое поглощение вещества поверхностью твёрдого тела, т. е. как химическую адсорбцию.

Капиллярная конденсация - конденсация пара в капиллярах и микротрещинах пористых тел или в промежутках между тесно сближенными твёрдыми частицами. Необходимым условием К. к. является смачивание  жидкостью поверхности тела (частиц). К. к. начинается с адсорбции молекул пара поверхностью конденсации и образования менисков жидкости. При вогнутой форме менисков давление насыщенного пара над ними, согласно Кельвина уравнению , ниже, чем давление насыщенного пара po над плоской поверхностью. В результате К. к. происходит при более низких давлениях пара, чем давление насыщения po.

6.

Хроматография (от греч. chroma, родительный падеж chromatos — цвет, краска и... графия), физико-химический метод разделения и анализа смесей, основанный на распределении их компонентов между двумя фазами — неподвижной и подвижной (элюент), протекающей через неподвижную.

Основные виды Х. В зависимости от природы взаимодействия, обусловливающего распределение компонентов между элюентом и неподвижной фазой, различают следующие основные виды Х. — адсорбционную, распределительную, ионообменную, эксклюзионную (молекулярно-ситовую) и осадочную. Адсорбционная Х. основана на различии сорбируемости разделяемых веществ адсорбентом (твёрдое тело с развитой поверхностью); распределительная Х. — на разной растворимости компонентов смеси в неподвижной фазе (высококипящая жидкость, нанесённая на твёрдый макропористый носитель) и элюенте (следует иметь в виду, что при распределительном механизме разделения на перемещение зон компонентов частичное влияние оказывает и адсорбционное взаимодействие анализируемых компонентов с твёрдым сорбентом); ионообменная Х. — на различии констант ионообменного равновесия между неподвижной фазой (ионитом) и компонентами разделяемой смеси; эксклюзионная (молекулярно-ситовая) Х. — на разной проницаемости молекул компонентов в неподвижную фазу (высокопористый неионогенный гель). Эксклюзионная Х. подразделяется на гель-проникающую (ГПХ), в которой элюент — неводный растворитель, и гель-фильтрацию, где элюент — вода. Осадочная Х, основана на различной способности разделяемых компонентов выпадать в осадок на твёрдой неподвижной фазе.

В соответствии с агрегатным состоянием элюента различают газовую и жидкостную Х. В зависимости от агрегатного состояния неподвижной фазы газовая Х. бывает газо-адсорбционной (неподвижная фаза — твёрдый адсорбент) и газожидкостной (неподвижная фаза — жидкость), а жидкостная Х. — жидкостно-адсорбционной (или твёрдо-жидкостной) и жидкостно-жидкостной. Последняя, как и газо-жидкостная, является распределительной Х. К твёрдо-жидкостной Х. относятся тонкослойная и бумажная.

Различают колоночную и плоскостную Х. В колоночной сорбентом заполняют специальные трубки — колонки, а подвижная фаза движется внутри колонки благодаря перепаду давления. Разновидность колоночной Х. — капиллярная, когда тонкий слой сорбента наносится на внутренние стенки капиллярной трубки. Плоскостная Х. подразделяется на тонкослойную и бумажную. В тонкослойной Х. тонкий слой гранулированного сорбента или пористая плёнка наносится на стеклянную или металлическую пластинки; в случае бумажной Х. используют специальную хроматографическую бумагу. В плоскостной Х. перемещение подвижной фазы происходит благодаря капиллярным силам.

При хроматографировании возможно изменение по заданной программе температуры, состава элюента, скорости его протекания и др. параметров.

Х. широко применяется в лабораториях и в промышленности для качественного и количественного анализа многокомпонентных систем, контроля производства, особенно в связи с автоматизацией многих процессов, а также для препаративного (в т. ч. промышленного) выделения индивидуальных веществ (например, благородных металлов), разделения редких и рассеянных элементов.

Газовая Х. применяется для газов разделения, определения примесей вредных веществ в воздухе, воде, почве, промышленных продуктах; определения состава продуктов основного органического и нефтехимического синтеза, выхлопных газов, лекарственных препаратов, а также в криминалистике и т.д. Разработаны аппаратура и методики анализа газов в космических кораблях, анализа атмосферы Марса, идентификации органических веществ в лунных породах и т.п.

Газовая Х. применяется также для определения физико-химических характеристик индивидуальных соединений: теплоты адсорбции и растворения, энтальпии, энтропии, констант равновесия и комплексообразования; для твёрдых веществ этот метод позволяет измерить удельную поверхность, пористость, каталитическую активность.

Жидкостная Х. используется для анализа, разделения и очистки синтетических полимеров, лекарственных препаратов, детергентов, белков, гормонов и др. биологически важных соединений. Использование высокочувствительных детекторов позволяет работать с очень малыми количествами веществ (10-11—10-9 г), что исключительно важно в биологических исследованиях. Часто применяется молекулярно-ситовая Х. и Х. по сродству; последняя основана на способности молекул биологических веществ избирательно связываться друг с другом.

Тонкослойная и бумажная Х. используются для анализа жиров, углеводов, белков и др. природных веществ и неорганических соединений.

В некоторых случаях для идентификации веществ используется Х. в сочетании с др. физико-химическими и физическими методами, например с масс-спектрометрией, ИК-, УФ-спектроскопией и др. Для расшифровки хроматограмм и выбора условий опыта применяют ЭВМ.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

33521. Тема революции в поэме С. Есенина «Анна Снегина» 18.29 KB
  Есенина Анна Снегина. Поэма Анна Онегина написанная незадолго до смерти поэта в 1924 году явилась своеобразным обобщением размышлений Есенина об этом драматическом и противоречивом времени и вобрала в себя многие мотивы и образы его лирики. Это ощущение усиливается в поэме тем что на её страницах в качестве олицетворения его юности появляется Анна Снегина – первая любовь девушка в белой накидке которая ласково сказала: Нет Несмотря на былые воспоминания автор прекрасно понимает что прошлое вернуть невозможно:...
33522. Творчество В.Набокова (роман по выбору). Проблематика, конфликты, герои 16.5 KB
  Защита Лужина Роман Защита Лужина привлекает и своим заглавием и своим содержанием писатель неоднократно объяснял его замысел: Русское заглавие этого романа – Защита Лужина – относится к шахматной защите будто бы придуманной моим героем сочинять книгу было нелегко надо был ввести роковое предназначение в жизнь Лужина и придать очертанию сада поездки событиям подобие замысловатой игры а в последних главах – настоящей шахматной атаки разрушающей до основания здоровье моего героя. У Лужина неожиданно счастливая семейная жизнь...
33523. Особенности композиции и система образов в романе М. Булгакова «Мастер и Маргарита» 22.64 KB
  Особенности композиции и система образов в романе М. Булгакова Мастер и Маргарита Роман в романе М. Сожженное в печи произведение Мастера так называемый внутренний роман возрождается будто Феникс из пепла так как он связан с персонажами романа внешнего. С внешним романом его соединяет образ Алоизия Могарыча предателя которого Мастеру изображать неинтересно поэтому что уже был в его творчестве Иуда.
33524. Проблематика романа «Мастер и Маргарита» 16.97 KB
  Более всего тема угнетения преследования неординарной талантливой личности государством присутствует в судьбе Мастера. Маргарита громит квартиру критика Латунского погубившего Мастера но отвергает предложение уничтожить своего врага. После бала у Сатаны героиня в первую очередь просит за страдающую Фриду забывая о собственном страстном желании вернуть Мастера. Именно Воланд приводит Мастера и его подругу в их вечный дом даруя им покой.
33525. Тема репрессий в поэме А.Ахматовой «Реквием» 17.6 KB
  Ахматова начала писать свою поэму Реквием в 1935 году когда ее единственный сын Лев Гумилев был арестован. Как и другие матери жены сестры Ахматова много часов стояла в молчаливой очереди что вела к петербургской тюрьме Кресты. Только в 1940 году Ахматова завершила свое произведение опубликовано же оно было в 1987 году много лет спустя после смерит автора. Ахматова рассказывает об истории создания поэмы.
33526. Роман-антиутопия Е.Замятина «Мы» (жанровые и художественные особенности) 17.26 KB
  У Замятина мы не масса а социальное качество. Заветная идея сталинизма – не человек но винтик в гигантском государственном механизме который подчинен твердой руке машиниста у Замятина показана осуществленной. Особенности жанра При чтении толкования термина антиутопия все его особенности прослеживаются в романе Евгения Замятина Мы: это и изображение тоталитарного государства и острый конфликт Чтобы возникла художественность нужен романный конфликт. Он должен пережить это сомнение как кульминацию своей жизни пусть даже...
33527. «Чевенгур» Платонова как роман-предупреждение 14.06 KB
  Чевенгур Платонова как романпредупреждение. прочитав роман “Чевенгур†писал Платонову: “Человек вы талантливый это бесспорно бесспорно и то что вы обладаете очень своеобразным языком. Платонов же посылая Горькому рукопись “Чевенгура†писал что “в романе содержится честная попытка изобразить начало коммунистического обществаâ€. Роман “Чевенгур†это энциклопедия социальных инициатив в их взаимодействии с реальной плотью жизни.
33528. Проблематика романа Б. Пастернака «Доктор Живаго», значение лирического дневника в идейной концепции романа 20.46 KB
  Пастернака Доктор Живаго значение лирического дневника в идейной концепции романа. Пастернак начал писать роман “Доктор Живаго†в 1945 году и закончил его в декабре 1955 года.Лихачев уверен что автор Пастернак пишет о самом себе но пишет как о постороннем он придумывает себе судьбу в которой можно было бы наиболее полно раскрыть перед читателем свою внутреннюю жизнь что жизнь Юрия Андреевича Живаго – это альтернативный вариант жизни самого Пастернака. Доктор Живаго – выразитель сокровенного лирический герой Пастернака который...
33529. Литературный процесс 30-х годов (ведущие темы, основные имена) 13.59 KB
  Печатались новые произведения Н. Новые сферы жизни человека новые конфликты новые характеры видоизменение традиционного литературного материала привели к появлению новых героев к возникновению новых жанров новых приемов стихосложения к поискам в области композиции и языка.