У деяких випадках речовини, отримувані в результаті реакції, або взаємодіють між собою, або розпадаються, і тоді в системі одночасно протікають дві реакції: пряма (утворюються продукти реакції) і зворотна (знову синтезуються вихідні речовини). У разі збігу швидкостей прямого і зворотного процесів в даній системі настає рівновага, яке називається хімічним. Це динамічний рівновагу, оскільки сама реакція не припиняється, але утворюється і розпадається водночас однакову кількість речовини. При незмінних температурі і тиску така ситуація може зберігатися досить довго. У графічному вигляді вона представлена нижче. Під еквівалентної швидкістю мається на увазі якась константа, рівна одночасно швидкостям прямий і зворотної реакції.
Принцип зміщення хімічної рівноваги
Принцип зсуву (зрушення) рівноваги відкрив в 1884 році Лешательє. Пізніше його узагальнив Карл Фердинанд Браун (1887 р). Тому в даний час він носить здвоєне назва - принцип Ле Шательє-Брауна. Цей закон використовується як в хімії, так і в термодинаміки, електродинаміки, екології та біохімії. Існує багато формулювань, але суть кожної з них зводиться до наступного: «При наданні на систему, що знаходиться в рівноважному стані, будь-якого впливу, хімічну рівновагу зміщується таким чином, щоб компенсувати це зміна (т. е. система буде намагатися відновити баланс) ». Описуваний принцип можна наочно продемонструвати за допомогою наступної системи. Є пружина, прикріплена до нерухомій опорі. У стані спокою ця система знаходиться в рівновазі. Якщо пружину розтягнути, то рівновага зміститься у бік зовнішнього впливу. Однак при цьому в системі також наростає опір. І в якийсь момент сили протидії і зовнішнього впливу стають рівні один одному, в результаті чого настає новий рівноважний стан.
Принцип Ле Шательє можна використовувати тільки для систем, що знаходяться в рівновазі, в іншому випадку результати аналізу будуть невірними. Існують три основних параметри, зміна яких викликає зміщення хімічної рівноваги: тиск, температура і концентрація хімічних речовин.
температура
Зміна температури - найбільш часта причина зсуву хімічної рівноваги, що цілком зрозуміло, адже на цей фактор вплинути набагато легше, ніж, наприклад, на тиск. Тут слід згадати, що реакції поділяються на два типи по термічному ефекту. Серед них такі: екзотермічні (з виділенням тепла) і ендотермічні (з його поглинанням). Як буде зміщуватися в даному випадку хімічну рівновагу? Принцип Ле Шательє в цьому випадку зводиться до наступного: зі збільшенням температури рівновага зміщується в бік реакції, що проходить з поглинанням тепла, а при її зменшенні, відповідно, в протилежну сторону. Так, якщо для реакції, зображеної нижче, підвищити температуру, рівновагу зрушиться в праву сторону.
Більшість прямих реакцій екзотермічні, а зворотних - ендотермічні (це не правило, а, скоріше, спостереження, з якого можна знайти безліч винятків).
тиск
Зі зміною тиску трансформується наступний параметр системи - її обсяг (він збільшується або зменшується), тому вплив за допомогою цього параметра надає особливо сильний вплив на системи, в яких присутні гази. У цьому випадку принцип хімічної рівноваги полягає в наступному. Якщо тиск в системі збільшується, то рівновага зсувається в бік скорочення числа молекул газу, а при зменшенні тиску рівновагу рухається в протилежному напрямку. Якщо число молекул газу під час реакції не змінюється, то рівновага не зміщується при зміні тиску, як, наприклад, у такій реакції.
Однак на практиці такий принцип є вірним лише для ідеальних газів, оскільки всі реальні володіють різною сжимаемостью. Таким чином, навіть якщо число молекул газу залишається незмінним, рівновага може залежати від тиску. На практиці це буде помітно при високому тиску. У разі рідких і твердих речовин зміна тиску практично не впливає на рівновагу через малі обсяги, займаних такими речовинами. При розгляді змішаних систем враховують тільки молекули газу.
Зсув рівноваги в системі в результаті зміни концентрації будь-якої речовини, що бере участь в реакції
В ході зміни концентрації певної речовини принцип Ле Шательє працює наступним чином. При збільшенні концентрації продуктів реакції рівновагу зміщується в бік зворотної реакції, при зменшенні кількості утворюються речовин рівновага рухається в протилежний бік.
Що буде, якщо додати інертний газ
Змінити обсяг системи можна не тільки стиснувши її або послабивши тиск, але і шляхом додавання інертного газу, який не вступатиме в реакцію. Що буде з системою при додаванні в неї, наприклад, гелію? Насправді, швидше за все, нічого не відбудеться, оскільки співвідношення беруть участь в реакції речовин не зміниться, а для ходу процесу має значення не загальний тиск системи, а парціальний кожного компонента.
вплив каталізаторів
На зміщення хімічної рівноваги кількість каталізатора і взагалі його наявність впливу не роблять. Це відбувається через те, що цей елемент однаково прискорює і пряму, і зворотну реакцію, зберігаючи рівновагу в системі незмінним.
Спосіб вивчення хімічного рівноваги
Детальний розгляд хімічних рівноваг дуже важливо для повного розуміння процесу. Одним з найбільш часто вживаних прийомів є так званий метод заморожування рівноваг. Так, відбувається швидке охолодження системи, що знаходиться в збалансованому стані. Рівновага просто не встигає зміститися, а при низьких температурах швидкість більшості процесів сповільнюється практично до нуля. Завдяки цьому можна повністю проаналізувати склад суміші при будь-якій температурі (концентрації речовин, що беруть участь в реакції, при нулі градусів буде відповідати кількості компонентів при тій температурі, з якої почалося зниження). Такий досвід проводять кілька разів з реакціями, що протікають в обох напрямках.
Чи існує повна незворотність
Повністю зрушити хімічну рівновагу в одну сторону неможливо. Навіть при уявній абсолютному зміщенні завжди залишиться невелика кількість молекул, які будуть вступати в зворотну реакцію.
На практиці фактично всі реакції оборотні, а наскільки сильно буде видно цей ефект, часто залежить від температури (нерідко рівновагу просто сильно зміщене в одне сторону, тому воно стає помітним лише при зміні умов). Саме через цю поширеності оборотних хімічних реакцій вивчення рівноваги особливо важливо.
Приклади синтезів, в яких під час виробництва зміщується хімічна рівновага
На виробництві хімічну рівновагу зазвичай зміщують в напрямку прямої реакції для отримання, відповідно, продуктів реакції. Існує безліч прикладів таких синтезів: отримання аміаку, оксиду сірки (VI), оксиду азоту (II) і т. д.
