Урок 04. Обратимые реакции и химическое равновесие

Объяснять динамическое химическое равновесие, предсказывать его смещение при изменении концентрации и понимать роль катализатора.

Понадобятся тетрадь, ручка и периодическая таблица. Все задания выполняем на бумаге или в заметке, без самостоятельных химических опытов.

Все уроки · Перейти к заданиям

Материалы к уроку

• Веб-тренажёр «Обратимые реакции и химическое равновесие»: открыть
• Рабочие листы для печати (PDF, A4): Лист А · Лист Б · Лист В

Обратимая реакция и равновесие

Некоторые реакции в данных условиях идут практически до конца. Их записывают одной стрелкой. В обратимой реакции продукты могут в тех же условиях взаимодействовать друг с другом и снова образовывать исходные вещества:

$$N_2+3H_2\rightleftharpoons 2N{H}_3+Q.$$

Двойная стрелка показывает, что идут прямая и обратная реакции. $Q$ справа означает, что прямая реакция в этой записи экзотермическая.

Сначала исходных веществ много, поэтому прямая реакция идёт быстрее обратной. По мере накопления аммиака обратная реакция ускоряется. Наступает химическое равновесие, когда скорости прямой и обратной реакций становятся равны.

Равновесие динамическое

Обе реакции продолжаются, но с одинаковыми скоростями. Поэтому макроскопически состав смеси не изменяется. Это не означает, что частицы перестали реагировать.

Равновесие устанавливается в закрытой системе при постоянных условиях. Если газ уходит из открытого сосуда, состав системы меняется.

Как система противодействует изменению

Если изменить условия равновесия, система смещается в ту сторону, которая ослабляет внешнее воздействие. Это принцип Ле Шателье. Для первого знакомства удобно рассуждать так:

• добавили исходное вещество — система усиливает его расходование, равновесие смещается вправо;
• удаляют продукт — система усиливает его образование, равновесие смещается вправо;
• добавили продукт — система усиливает его расходование, равновесие смещается влево.

Для $N_2+3H_2\rightleftharpoons 2N{H}_3+Q$:

Изменение	Куда смещается	Почему
Добавили $N_2$	Вправо	Система расходует добавленный азот
Удаляют $N{H}_3$	Вправо	Система восполняет удаляемый аммиак
Повышают давление	Вправо	Справа 2 моля газа, слева 4; выгодна сторона с меньшим числом газовых частиц
Повышают температуру	Влево	Система усиливает направление, которое поглощает тепло
Добавляют катализатор	Не смещается	Катализатор ускоряет и прямую, и обратную реакции, поэтому равновесие достигается быстрее

Не заучивай «нагревание — влево»

Направление зависит от теплового эффекта конкретной реакции. При нагревании равновесие смещается в сторону эндотермического процесса.

Разобранный пример

Дано равновесие:

$$2S{O}_2+O_2\rightleftharpoons 2S{O}_3+Q.$$

Предскажи влияние трёх изменений.

1. Добавили $O_2$. Система стремится его расходовать, поэтому равновесие смещается вправо, в сторону $S{O}_3$.
2. Удаляют $S{O}_3$. Система восполняет удаляемый продукт: смещение вправо.
3. Добавили катализатор. Обе реакции ускоряются; новое равновесие не смещается, но достигается быстрее.

Наглядная схема

flowchart LR
    A["Много исходных<br/>v прямой > v обратной"] --> B["Накапливаются продукты"]
    B --> C["Обратная реакция<br/>ускоряется"]
    C --> D["Равновесие<br/>v прямой = v обратной"]
    D -. "реакции продолжаются" .-> E["Состав смеси<br/>постоянен"]
    classDef balance fill:#d3f9d8,stroke:#2b8a3e,color:#212529;
    class D,E balance;

Тренировка по шагам

Работай сверху вниз. Сначала запиши собственный ответ, затем нажми на свёрнутый блок «Правильный ответ» непосредственно под заданием. Исправление пиши ниже своей первой попытки, не стирая её.

Шаг 1. Прочитай двойную стрелку

Что означает запись $H_2+I_2\rightleftharpoons 2HI$?

Ответ ученика

Правильный ответ к шагу 1

В данных условиях возможны прямой процесс образования HI и обратный процесс образования $H_2$ и $I_2$.

Шаг 2. Динамическое равновесие

Остановились ли реакции при химическом равновесии и почему состав смеси внешне не меняется?

Ответ ученика

Правильный ответ к шагу 2

Реакции не остановились. Скорости прямой и обратной реакций равны, поэтому количества веществ на макроскопическом уровне остаются постоянными.

Шаг 3. Добавили исходное вещество

Для $2N{O}_2\rightleftharpoons N_2{O}_4$ предскажи смещение после добавления $N{O}_2$.

Ответ ученика

Правильный ответ к шагу 3

Равновесие смещается вправо: система усиливает процесс, расходующий добавленный $N{O}_2$.

Шаг 4. Добавили продукт

Для той же реакции добавили $N_2{O}_4$. Куда сместится равновесие?

Ответ ученика

Правильный ответ к шагу 4

Влево: усиливается процесс, расходующий добавленный продукт и образующий $N{O}_2$.

Шаг 5. Изменили давление

В $2N{O}_2(g)\rightleftharpoons N_2{O}_4(g)$ повысили давление. С какой стороны меньше газовых частиц по коэффициентам и куда идёт смещение?

Ответ ученика

Правильный ответ к шагу 5

Справа одна газовая частица по коэффициентам, слева две. При повышении давления равновесие смещается вправо, к меньшему числу газовых частиц.

Шаг 6. Добавили катализатор

Сместит ли катализатор равновесие? Что он изменит?

Ответ ученика

Правильный ответ к шагу 6

Не сместит: катализатор ускоряет прямую и обратную реакции. Равновесие установится быстрее.

Шаг 7. Учти тепловой эффект

В $N_2+3H_2\rightleftharpoons 2N{H}_3+Q$ повысили температуру. Куда сместится равновесие?

Ответ ученика

Правильный ответ к шагу 7

Влево, в сторону эндотермического обратного процесса, который поглощает добавленное тепло.

Шаг 8. Итог урока

Объясни двумя предложениями, почему равновесие динамическое и почему катализатор его не смещает.

Ответ ученика

Правильный ответ к шагу 8

Прямая и обратная реакции продолжаются с равными скоростями. Катализатор ускоряет оба направления, поэтому меняет время достижения равновесия, но не его положение.

Вопросы ученика

Предыдущий урок · Следующий урок