Химиялық тепе-теңдік


Көптеген реакциялар бір бағытта жүреді. Мысалы, 2КСІО3 2КСІ + 3О2, 2Na + 2H2O 2NaOH + H2 , оларды қайтымсыз реакциялар деп атайды. Бірдей жағдайда қарама-қарсы екі бағытта жүретін реакцияларды қайтымды деп атайды. N2 + 3H2 2NH3 , Fe3O4 + 4H2 3Fe + 4H2O. Солдан оңға қарай жазылған реакцияны тура, оңнан солға қарай жазылған реакцияны кері реакция деп атайды. Қайтымсыз реакция деп атау тек шартты түрде ғана. Химиялық реакция жүрген кезде алғашқы заттардың концентрациялары азаяды, олай болса, әрекеттесуші массалар заңы бойынша реакция жылдамдығы да азаяды. Егер реакция қайтымды болса, белгілі бір уақыт өткен соң кері реакцияның жылдамдығы арта бастайды, себебі реакция нәтижесінде пайда болған заттар концентрациялары артады. Тура және кері реакциялар жылдамдықтары теңескенде химиялық тепе-теңдік орнайды, енді реакцияға қатысатын заттардың концентрациялары ары қарай өзгермейді. Егер жалпы теңдеуді былай жазса аА + bВ сС + ▲▲, онда тура реакция жылдамдығы

u = k [A]a × [B]b; u = k [C]c × []тепе-теңдік кезінде u = u , олай болса,

k [A]a × [B]b = k [C]c × []сонда, k /k = К т – реакцияның тепе-теңдік константасы болады. Тепе-теңдік константасына кіретін концентрацияларды тепе-теңдік концентрациялары деп атайды. Сонымен, тепе-теңдік константасы сол температурада тұрақты шама, реакция нәтижесінде түзілген заттардың тепе-теңдік концентрациялары көбейтіндісінің реакцияға түскен заттардың тепе-теңдік концентрациялары көбейтіндісіне қатынасын көрсетеді:

К т = [C]c × []/[A]a × [B]b

Тепе-теңдік константасы – реакцияның маңызды сипаттамасы, оның мәні көп болған сайын, реакция ↔тереңірек» жүреді, яғни реакция нәтижесінде түзілген заттардың шығымы жоғары болады. Гетерогенді реакциялар үшін тепе-теңдік константасы мәніне де қатты заттардың концентрациясы кірмейді, реакциялар жылдамдығы мәніне кірмеген сияқты. Химиялық тепе-теңдік кезінде реакциялар тоқтамайды, тек қарама-қарсы реакциялардың жылдамдықтары теңеседі, уақыт бірлігінде түзілген заттар молекулаларының саны реакцияға түскен заттар молекулалары санына тең болады. Олай болса, химиялық тепе-теңдік динамикалық, жылжымалы болады. Химиялық тепе-теңдік кезінде жүйеде Гиббс энергиясы өзгермейді, G = 0, H = TS,

G° = - RT ln K, G°298 (кДж) = - 5,71 lg K298 не G°298 (кДж) = - 19,1Т;

lg K – тепе-теңдік константасы мен Гиббс энергиясы арасындағы қатынас. Тепе-теңдік константасы реакцияласатын заттар табиғатына және температураға тәуелді, ал концентрацияларына тәуелді емес. Эндотермиялық реакциялар үшін температураны көтерсе, тепе-теңдік константасы жоғарылайды, ал экзотермиялық реакцияларда – азаяды. Тепе-теңдік константасы (егер қысым онша жоғары болмаса) қысымға тәуелді емес. Тепе-теңдік константасының энтальпиялық және энтропиялық факторларға тәуелділігі оған реагенттер табиғаты әсер ететіндігін көрсетеді. Сонымен бірге, тепе-теңдік костантасы мәніне катализатор қатысы да әсер етпейді, ол тура және кері реакциялардың активтену энергияларын бірдей өзгертетіндіктен олардың жылдамдықтарын да бірдей өзгертеді. Катализатор тек жүйенің тепе-теңдік жағдайына келуін тездетеді, бірақ реакция нәтижесінде түзілетін заттардың шығымына әсер етпейді.

Әлсіз электролиттердің (электролиттік диссоциация) диссоциация константасы, комплекс иондардың тұрақсыздық константасы, судың иондық көбейтіндісі, ерігіштік көбейтіндісі – бұл шамалар қайтымды процестерді сипаттайтындықтан тепе-теңдік константалары болады.

Ле Шателье принципі. Жағдайды өзгертпесе тепе-теңдікке келген жүйенің күйі сақталады. Сыртқы жағдайдың (реагенттер концентрацияларының, қысымның, температураның) өзгеруінің тепе-теңдікке әсерін Ле Шателье принципін (жылжымалы тепе-теңдік принципін) қолдану арқылы анықтауға болады: Химиялық тепе-теңдік күйге келіп тұрған жүйенің жағдайының біреуін өзгерту, тепе-теңдікті сол өзгертуге қарсы әрекет туғызатын реакция бағытына қарай ығыстырады:

Температура әсері. Температура көтерілгенде тепе-теңдік эндотермиялық реакция бағытына қарай, ал температура төмендегенде экзотермиялық реакция бағытына қарай ығысады (Вант-Гофф заңы – Ле Шателье принципінің жеке бір түрі ) 2СО + О2 2СО2, Н < 0;

N2O4 2NO2, H > 0 .

Қысымның әсері. Тепе-теңдікте тұрған жүйенің сыртқы қысымын көбейткенде тепе-теңдік жүйедегі молекулалардың жалпы саны азаятын реакцияның бағытына қарай, яғни жүйенің ішкі қысымы кемитін жаққа қарай ығысады. Керісінше, сыртқы қысымды кеміткенде тепе-теңдік жүйедегі молекулалардың жалпы саны көбейетін бағытына қарай, яғни ішкі қысымның өсуі жағына қарай ығысады. Мысалы, N2 + 3H2 2NH3 тепе-теңдіктің сол жағында 4 молекула, оң жағында 2 молекула, сонда сыртқы қысым артқанда тепе-теңдік оң жаққа, аммиак түзілетін жаққа ығысады. Тепе-теңдіктің екі жағындағы молекулалар саны бірдей болса, N2+O22NO, онда қысымды өзгерту тепе-теңдікке әсер етпейді.

Концентрацияның әсері. Реакцияға түсетін заттардың концентрацияларын арттырса, тепе-теңдік сол концентрациялардың азаятын жағына, яғни реакция өнімі түзілетін жаққа ығысады (тура реакция жүреді). Керісінше, азайтса, реакция нәтижесінде түзілген өнімнің айрылуы жүреді, кері реакция жүреді. Реакция нәтижесінде түзілген заттар айрылмас үшін оларды (не біреуін) реакциядан шығарса, тепе-теңдік сол шығарылған заттың орнын толтыратын жаққа қарай ығысады, яғни реакция аяғына дейін жүреді.

1-мысал: 2СО2 2СО + О2 реакциясы үшін 2000°С температурада тепе-теңдіктегі қоспадағы заттардың көлемдік үлестері, %: 85,2СО2 ; 9,9СО және

4,9О2 болса, жүйенің жалпы қысымы 1,013×105Па болса,

а. реакцияласатын заттардың парциалды қысымдары арқылы көрсетілген (Кр); б.молярлы концентрациялары арқылы көрсетілген (Кс) тепе-теңдік константалары нешеге тең?

Шешуі: газдың парциалды қысымы жалпы қысымды қоспадағы газдың көлемдік үлесіне көбейткенге тең: а) р(СО2) = 1,013×105 ×0,852 = 0,863×105 Па;

б) р(СО) = 1,013×105 ×0,099 = 0,1×105 Па; в) р(О2) = 1,013×105 ×0,049 = 0,050×105 Па; Кр = р(СО)2 × р(О2)/р(СО2)2 = 67,1Па; Кс = Кр /RT = 67,1/8,31×2273 = 3,6×10-3моль/л. Кр мен Кс арасындағы байланыс идеал газдар үшін Менделеев-Клапейрон теңдеуі арқылы көрсетіледі: Кр = Кс(RT)n, мұндағы n – реакция нәтижесінде түзілген газ тәріздес заттардың моль саны мен реакцияға түскен газ тәріздес заттардың моль сандарының айырымы,осы реакция үшін ол

n = 3 – 2 = 1 болады.

2-мысал: Газ тәріздес мына заттар А + 2В = C әрекеттескенде, тепе-теңдік ол заттардың концентрациялары сәйкесінше мына сандарға тең болғанда 0,06моль/л, 0,12моль/л, 0,216моль/л орнаған болса, реакцияның тепе-теңдік константасын және А мен В заттарының алғашқы концентрацияларын табу керек. Шешуі: К = [С]/[А]× [В]2 ; К = 0,216/0,06×(0,12)2 = 2,5. 1моль А және 2моль В заттарынан 1моль С заты түзіледі. Есеп шарты бойынша жүйенің әр литрінде 0,216моль С заты түзіледі, сонда 0,216моль А және

0,216×2 = 0,432моль В заты түзіледі. Олай болса, алғашқы концентрациялар

[А]0 = 0,06 + 0,216 = 0,276моль/л; [В]0 = 0,12 + 0,432 = 0,552моль/л.

3-мысал: Егер НІ қышқылының белгілі бір температурада диссоциация константасы 6,25×10-2 болса, осы температурада қышқылдың қанша пайызы диссоциацияға түседі?

Шешуі: 2НІ Н2 + І2 қышқылдың диссоциациялану реакциясы. Егер қышқылдың алғашқы концентрациясын С,моль/л деп белгілеп тепе-теңдік орнаған кезде қышқылдың әр С мольдерінен х моль диссоциациаланса, онда теңдеуден көрініп тұрғандай 0,5хмоль Н2 және 0,5х моль І2 түзіледі. Олай болса, тепе-теңдік концентрациялар:

[НІ] = (С-х)моль/л; [Н2] = [I2] = 0,5xмоль/л болады. Тепе-теңдік константасы К = [Н2] × [I2] /[НІ]2 ; 6,25 = 0,5х ×0,5х/(С - х)2, одан х = 0,333С.

Олай болса, тепе-теңдік орнағанда йодты сутектің алғашқы мөлшерінің 33,3% ыдыраған.

Өзін-өзі тексеруге арналған сұрақтар

1. Гомогенді және гетерогенді реакциялар үшін тепе-теңдік константасының теңдеуі;

2. Реакцияның жылу эффектісі мен тепе-теңдік константасының температураға тәуелділік байланысын көрсету керек;

3. Ле-Шателье принципін тепе-теңдіктегі жүйеге қолдану;

4. Гетерогенді тепе-теңдік деген ұғымды түсіндіру;

5. Гомогенді тепе-теңдік деген ұғымды түсіндіру.

Практикалық сабақта және білім алушының оқытушы басшылығымен орындайтын (БОӨЖ) есептер мен жаттығулар

1. Химиялық тепе-теңдік деген не және ол қандай факторларға тәуелді? Ле Шателье принципінің мәні. Неге химиялық тепе-теңдік динамикалық болады?

2. Тепе-теңдік константасы деген не және ол қандай шамаларға тәуелді? Неге оның мәні реакция тереңдігін көрсетеді?

3. Неге реакция жылдамдығын, тепе-теңдік константасын есептейтін формулаларға қатты заттың концентрациясы кірмейді?

4. Әр химиялық тепе-теңдік қандай параметрлермен сипатталады? Бір параметрдің өзгерісі қандай өзгерістерге әкеледі?

5. Химиялық реакцияның тепе-теңдік константасының мәнін мына фактордың қайсылары өзгертеді: а) қысым өзгерісі; б) температура өзгерісі; в) катализаторды ауыстыру; г) реакцияласатын заттардың концентрацияларының өзгерісі?

6. Мына реакция үшін С(графит) + Н2О(бу) СО + Н2 тепе-теңдік константасы бірге тең болғандағы температура мәнін анықтау керек. Н° және S° температураға тәуелділігін есептемей, мәндерін анықтамадан алу керек. Жауабы: 983К.

7. N2 + 3H2 2NH3; Н° = − 92.4кДж тепе-теңдіктегі жүйеде қатысатын заттардың концентрациялары CN2 = 3моль/л; СН2 = 9моль/л; СNH3 = 4моль/л болса, анықтау керек а) сутегі мен азоттың алғашқы концентрацияларын; б) температураны көтергенде және в) реакция жүретін ыдыстың көлемін азайтқанда, тепе-теңдік қай жаққа ығысатынын.

Жауабы: а) 5моль/л және 15моль/л; б) солға; в) оңға.

8. Мына теңдеулер үшін тепе-теңдік константаларын жазу керек:

СО + СІ2 СОСІ2 (г); SO3 + C SO2 + 2H2 O(г); CaCO3 CaO + CO2

9. Тепе-теңдік константалар мәніне қарап қай жағдайда реакция тереңірек, қай жағдайда азырақ жүретінін анықтау керек: a) СО + СІ2 СОСІ2 (г), К = 50; в) H+ + HS- H2 S, K = 107; C▲2+ + S2- C▲S, K = 7×1028.

10. Мына жүйеде СО + СІ2 СОСІ2(г) заттардың алғашқы концентрациялары СО және СІ2 0,28 және 0,09моль/л болған, көміртек(ІІ) оксидінің тепе-теңдік концентрациясы 0,20моль/л болғанда тепе-теңдік константасы қанша болады? Жауабы: 40.

11. РСІ5 РСІ3 + СІ2 жүйесінде 500К температурада тепе-теңдік орнады, реакция барысында РСІ5 концентрациясы 1моль/л-ден 0,46моль/л-ге азайды. Осы температурадағы реакцияның Кс және Кр есептеңдер.

Жауабы: 0,634моль/л; 2,63МПа.

12. 2НІ Н2 + І2 реакциясында 448°С тепе-теңдік орнады. Осы температурада газдардың тепе-теңдік парциалды қысымдары

р(НІ) = 4,05×104Па, р(Н2 )=7,52×104 Па; р( І2) = 4,36×102 Па болған. Реакцияны

Кр және Кс есептеу керек. Жауабы: Кр = Кс = 0,02.

13. А + В С + ▲ реакциясының тепе-теңдік константасы бірге тең. А затының алғашқы концентрациясы 0,02моль/л болса, В затының алғашқы концентрациялары 0,02, 0,1 және 0,2моль/л болғанда, А затының қанша пайызы өзгеріске ұшырайды? Жауабы: 50%, 83,3%, 90,9%.

14. 2СО + О2 2СО2 Н° = − 566 кДж; 2Н2 + О2 2О,

Н° = − 483,6кДж; СаСО3 СаО + СО2, Н° = 179кДж:

а) температураны төмендетсе, б) қысымды көтерсе; в) температураны көтерсе; г) қысымды азайтса, тепе-теңдік қай жаққа ығысады?

15. Белгілі бір температурада мына гетерогенді реакцияның

ҒеО + СО Ғе + СО2 тепе-теңдік константасы 0,5, көміртегі(ІІ) және көміртегі(ІV) оксидтерінің алғашқы концентрациялары сәйкесінше 0,05моль/л және 0,01моль/л болса, олардың тепе-теңдік концентрациялары нешеге тең болады? Жауабы: 0,04моль/л; 0,02моль/л.

16. Мына гомогенді жүйеде 2SO2 + O2 2SO3 көлемді 2 есе азайтса, тура және кері реакциялардың жылдамдықтары қалай өзгереді (санау керек)? Тепе-теңдік ығыса ма?

17. РСІ5 РСІ3 + СІ2, Н° = 92,59кДж тура реакцияны жүргізу үшін

а) температураны; б) қысымды; в) концентрацияны қалай өзгерту керек?

18. Қандай жағдайларда мына реакция 4Ғе + 3О2 2Ғе2О3 үшін тепе-теңдік оксидтің айрылуы жағына ығысады?

19. Н2 + І2 2НІ реакциясының белгілі бір температурада тепе-теңдік константасы 50-ге тең. 1моль І2 затының 90%-ын НІ затына айналдыру үшін сутегінің қандай мөлшерін алу керек? Жауабы: 1,548моль.

20. Метанол мына реакция нәтижесінде алынады СО + 2Н2 СН3ОН(с), Н° = − 127,8 кДж. Егер а) температураны б) қысымды көтерсе, тепе-теңдік қай жаққа ығысады?

21. Гомогенді жүйенің N2 + O2 2NO тепе-теңдік константасы

К = 4,1×10-4 болса, тепе-теңдік концентрациялары N2 және NO сәйкесінше 0,10 және 0,05моль/л болса, оттегінің тепе-теңдік концентрациясы қанша болады? Жауабы: 61моль/л.

22. Гомагенді жүйенің N2 + 3H2 2NH3 тепе-теңдік константасы К = 0,1 болса, тепе-теңдік концентрациялары Н2 және NН3 сәйкесінше 0,20 және 0,08моль/л болса, азоттың тепе-теңдік және алғашқы концентрацияларын анықтау керек. Жауабы: 8моль/л және 8,04моль/л.

23. С + СО2 2СО Н° = + 119,8 кДж, осы гетерогенді жүйедегі тепе-теңдік қалай өзгереді: а) СО2 қосса; б) С қосса; в) температураны көтерсе;

г) қысымды көтерсе; д) катализатор қатыстырса; е) СО-ны жүйеден шығарса?

24. 4940С температурада 2NО + O2 2NO2 жүйесінің тепе-теңдік константасы 2,2 болса, NО және O2 заттарының тепе-теңдік концентрациялары сәйкесінше 0,020 және 0,030моль/л болса, олардың алғашқы концентрацияларын анықтау керек. Жауабы: 0,0251 және 0,0326моль/л.

25. Қайтымды реакция үшін G298 а) 5,714кДж/моль; б) – 5,714кДж/моль болса, 250С температурада тепе-теңдік константасы қанша болады?

Жауабы: а) 0,1; б) 10.

26. СО2 + Н2 СО + Н2О,бу егер а) жүйе көлемін арттырса; б) су буы конденсацияланса тепе-теңдік қай жаққа ығысады?

27. 2NO2 + О3 N2O5 + О2, егер а) NO2 концентрациясын көбейтсе;

б)О3 концентрациясын көбейтсе; в)N2O5 концентрациясын азайтса;

г)О2 контрациясын арттырса, тепе-теңдік қай жаққа ығысады?

28. 2NO2 2NО + O2, Н > 0 азот диоксидінің айрыруын қалай азайтуға болады?

29. Химиялық тепе-теңдік Н2 + Br2 2HBr, газ, осы реакция үшін мына концентрацияларда орнаған: [Br2] = 0,2моль/л; [НBr] = 0,4моль/л;

2] = 0,2моль/л; Егер жүйеге 0,2моль/л бром қосылса, осы заттардың жаңа тепе-теңдік концентрациялары қанша болады?

Жауабы:2] = 0,16моль/л; [Br2] = 0,36моль/л; [НBr] = 0,48моль/л;

30. Тепе-теңдік константасына катализатор қатысы әсер ете ме?