Вивчення параметрів системи, що включає вихідні речовини і продукти реакції, дозволяє з`ясувати, які чинники зміщують хімічна рівновага і ведуть до бажаних змін. На висновках Лешательє, Брауна та інших вчених про способи проведення оборотних реакцій засновані промислові технології, що дозволяють здійснити раніше здавалися неможливими процеси, отримати економічну вигоду.
Різноманітність хімічних процесів
За особливостями теплового ефекту багато реакції відносять до екзо- або ендотермічним. Перші йдуть з утворенням теплоти, наприклад, окислення вуглецю, гідратація концентрованої сірчаної кислоти. Другий тип змін пов`язаний з поглинанням теплової енергії. Приклади ендотермічних реакцій: розпад карбонату кальцію з освітою гашеного вапна і Вуглекислий газ, утворення водню і вуглецю при термічному розкладанні метану. У рівняннях екзо- і ендотермічних процесів необхідно вказувати парниковий ефект. Перерозподіл електронів між атомами реагуючих речовин відбувається в окисно-відновних реакціях. Чотири типу хімічних процесів виділяють за особливостями реагентів і продуктів:
- з`єднання А + В = С;
- розкладання С = А + В;
- заміщення АВ + С = АС + В;
- обмін АВ + СД = АС + ВД.
Для характеристики процесів важлива повнота взаємодії реагуючих сполук. Ця ознака лежить в основі поділу реакцій на оборотні та необоротні.
оборотність реакцій
Зворотні процеси становлять більшість серед хімічних явищ. Освіта кінцевих продуктів з реагентів є прямою реакцією. У зворотному ж вихідні речовини виходять з продуктів свого розкладання або синтезу. У реагує суміші виникає хімічна рівновага, при якому виходить стільки ж з`єднань, скільки розкладається вихідних молекул. У оборотних процесах замість знака «=» між реагентами і продуктами використовуються символи «harr-» або « ». Стрілки можуть бути неоднаковими по довжині, що пов`язано з домінуванням однієї з реакцій. У хімічних рівняннях можна вказувати агрегатні характеристики речовин (г - гази, ж - рідини, т - тверді). Величезне практичне значення мають науково обґрунтовані прийоми впливу на зворотні процеси. Так, виробництво аміаку стало рентабельним після створення умов, що зсувають рівновагу в бік утворення цільового продукту: 3Н2 (г) + N2 (г) 2NH3 (г). Необоротні явища призводять до появи нерозчинного або малорастворимого з`єднання, утворення газу, що залишає сферу реакції. До таких процесів можна віднести іонний обмін, розпад речовин.
Хімічна рівновага та умови її зміщення
На характеристики прямого та зворотного процесів впливає декілька чинників. Один з них - час. Концентрація взятого для реакції речовини поступово знижується, а кінцевого з`єднання - зростає. Реакція прямого напрямки йде все повільніше, зворотний процес набирає швидкість. У певний проміжок два протилежні процеси йдуть синхронно. Взаємодія між речовинами відбувається, але концентрації не змінюються. Причина - динамічне хімічну рівновагу, яке встановилося в системі. Його збереження або зміна залежить від:
- температурних умов;
- концентрації сполук;
- тиску (для газів).
Зміщення хімічної рівноваги
У 1884 році видатний вчений із Франції А. Л. Ле Шательє запропонував опис способів виведення системи з стану динамічної рівноваги. В основі методу лежить принцип нівелювання дії зовнішніх чинників. Лешательє звернув увагу, що в реагує суміші виникають процеси, що компенсують вплив сторонніх сил. Сформульований французьким дослідником принцип говорить, що зміна умов в стані рівноваги сприяє протіканню реакції, що ослаблює сторонній вплив. Зсув рівноваги підкоряється цьому правилу, воно дотримується, коли змінюється склад, температурні умови і тиск. Технології, засновані на висновках вчених, використовуються в промисловості. Багато хімічні процеси, що вважалися практично нездійсненними, проводяться завдяки способам зміщення рівноваги.
вплив концентрації
Зрушення рівноваги відбувається, якщо вилучити із зони взаємодії певні компоненти або додатково ввести порції речовини. Видалення продуктів з реакційної суміші зазвичай викликає збільшення швидкості їх утворення, додавання речовин, навпаки, призводить до їх переважного розпаду. В процесі етерифікації для зневоднення використовують сірчану кислоту. При введенні її в сферу реакції підвищується вихід Метилацетат: СН3СООН + СН3ВІН harr- СН3співвісний3 + Н2Відповідь: Якщо додавати кисень, взаємодіє з діоксидом сірки, то хімічна рівновага зміщується в бік прямої реакції освіти триоксида сірки. Кисень зв`язується в молекули SO3, його концентрація знижується, що узгоджується з правилом Лешательє для оборотних процесів.
зміна температури
Процеси, що йдуть з поглинанням або виділенням тепла, - ендо- та екзотермічні. Для зміщення рівноваги використовується нагрівання або відведення тепла від реагує суміші. Зростання температури супроводжується підвищенням швидкості ендотермічних явищ, в яких додаткова енергія поглинається. Охолодження призводить до переваги екзотермічних процесів, що йдуть з виділенням тепла. При взаємодії діоксиду вуглецю з вугіллям нагрівання супроводжується збільшенням концентрації монооксиду, а охолодження веде до переважного утворення сажі: СО2 (г) + З(Т) harr- 2СО(Г).
вплив тиску
Зміна тиску - важливий фактор для реагують сумішей, що включають в себе газоподібні сполуки. Також слід звернути увагу на різницю обсягів вихідних і одержані речовин. Зниження тиску веде до переважного протіканню явищ, в яких збільшується загальний обсяг всіх компонентів. Зростання тиску направляє процес в бік зниження обсягу всієї системи. Така закономірність дотримується реакції утворення аміаку: 0,5N2 (г) + 1,5 Н2 (г) NH3 (г). Зміна тиску не вплине на хімічну рівновагу в тих реакціях, які йдуть при незмінному обсязі.
Оптимальні умови здійснення хімічного процесу
Створення умов для зміщення рівноваги в чому визначає розвиток сучасних хімічних технологій. Практичне використання наукової теорії сприяє отриманню оптимальних результатів виробництва. Найбільш яскравий приклад - отримання аміаку: 0,5N2 (г) + 1,5 Н2 (г) NH3 (г). Підвищення змісту в системі молекул N2 і Н2 сприятливо для синтезу складного речовини з простих. Реакція супроводжується виділенням теплоти, тому зниження температури викличе збільшення концентрації NH3. Обсяг вихідних компонентів більше, ніж цільового продукту. Зростання тиску забезпечить підвищення виходу NH3.
В умовах виробництва підбирають оптимальне співвідношення всіх параметрів (температури, концентрації, тиску). Крім того, має велике значення площу зіткнення між реагентами. У твердих гетерогенних системах збільшення поверхні веде до зростання швидкості реакції. Каталізатори збільшують швидкість прямої і зворотної реакції. Застосування речовин з такими властивостями не призводить до зміщення хімічної рівноваги, але прискорює його настання.
