Принцып Ле Шайелье
Французский химик Анри Ле Шателье вывел следующую закономерность: если на систему, находящуюся в равновесии, оказать какое-либо воздействие, то в результате протекающих в ней процессов равновесие сместится в таком направлении, что оказанное воздействие уменьшится. Этот принцип называется принципом Ле Шателье.
Нарушить равновесие в системе можно тремя способами:
S изменяя концентрацию какого-либо из веществ, участвующих в равновесии; * изменяя температуру;
* изменяя давление системы, содержащей газы.
И теперь, если вы химик, который разрабатывает для химической компании способ получения аммиака (а следовательно, и денег) в максимально возможном количестве, можете воспользоваться принципом Ле Шателье. В этом разделе описывается, как это сделать.
Однако сначала приведу довольно интересный и наглядный пример.
Принцып Ле Шайелье
Обратимую реакцию в момент равновесия можно сравнить с одним из моих любимых аттракционов — качелями. Итак, реакция находится в равновесии (рис. 8.3).
Синтез аммиака из газообразных азота и водорода является экзотермической реакцией, т.е. такой, в результате которой выделяется теплота. На рис. 8.3 эта теплота показана на качелях справа.
Изменение концентрации
Допустим, водород, азот и аммиак находятся в равновесии друг с другом при определенных температуре и давлении (см. рис. 8.3, а также раздел «Химическое равновесие» выше в главе). Введем в систему дополнительно некоторое количество газообразного азота. На рис. 8.4 показано, что в таком случае должно произойти с качелями.
Согласно закону действия масс, повышение концентрации азота повлечет за собой увеличение скорости прямой реакции — синтеза аммиака, тогда как скорость обратной реакции не изменится. Другими словами, в прямом направлении реакция будет протекать быстрее, чем в обратном. В результате этого концентрации азота и водорода будут снижаться, что приведет к замедлению прямой реакции, а концентрация аммиака будет возрастать, что вызовет ускорение обратной реакции. Через некоторое время скорости прямой и обратной реакций вновь сравняются, т.е. установится новое равновесие. Этот процесс показан на рис. 8.5.
Равновесие восстановлено, однако концентрация аммиака будет выше, чем была до добавления азота, а концентрация водорода — ниже. При этом азот, повышение концентрации которого вызвало нарушение равновесия, вступил в реакцию и его концентрация понизилась. Если отводить аммиак из системы по мере его образования, т. е. уменьшать его концентрацию, равновесие в системе опять нарушится. Правая сторона качелей станет легче, и для восстановления равновесия вес должен сместиться вправо. Таким образом, снова будет преобладать прямая реакция — образование аммиака.
Из всего сказанного следует, что при увеличении концентрации какого-либо из участвующих в равновесии веществ равновесие смещается в сторону расхода этого вещества, а при уменьшении концентрации — в сторону образования этого вещества.
Изменение температуры
Предположим, реакция взаимодействия азота и водорода происходит при повышенной температуре. Как уже неоднократно отмечалось, эта реакция экзотермическая, в результате которой выделяется теплота (она показана на правой стороне качелей). Таким образом, при
нагревании правая сторона качелей станет тяжелее, и тогда для восстановления равновесия вес должен сместиться влево. Это происходит за счет реакции разложения аммиака и образования азота и водорода. При этом количество теплоты также уменьшится (поскольку процесс разложения аммиака идет с поглощением теплоты), в результате чего уменьшится температура смеси. Этот процесс приведен на рис. 8.6.
Однако это не то, что нам нужно! Ведь нам требуется больше аммиака, а не азота или водорода. Поэтому смесь приходится охлаждать, расходуя каким-то образом теплоту, и тогда, чтобы восполнить ее, равновесие смещается вправо. В результате получится больше аммиака, а значит, и прибыли. Это уже больше похоже на то, что мы хотели получить.
Другими словами, при повышении температуры равновесие сдвигается в сторону эндотермической реакции. (В нашем случае синтез аммиака (прямая реакция) является экзотермической реакцией, а процесс его разложения (обратная реакция) — эндотермической.) Охлаждение смеси, в которой проходит реакция, приводит к смещению равновесия в сторону экзотермической реакции.
Изменение давления
Нарушение равновесия вследствие изменения давления возможно только в том случае, когда в реакции участвуют газы. В качестве примера отлично подойдет процесс Габера, поскольку все его компоненты являются газами.
Сравнение с качелями не поможет разъяснить действие на систему изменения давления. Поэтому в данном случае используем другой подход. Представьте себе закрытый сосуд, в котором происходит наша реакция. (Поскольку и реагенты, и продукты реакции являются газами, синтез аммиака должен происходить именно в закрытом сосуде.) Если сосуд герметичный, то в нем образуется давление, вызванное столкновением молекул газов с его стенками.
Далее предположим, что система находится в химическом равновесии при определенной температуре и давлении. Не изменяя температуры, увеличим давление. Для этого необходимо уменьшить объем сосуда (например, с помощью поршня) или ввести внутрь инертный газ, например неон. В результате количество столкновений молекул внутри сосуда возрастет, а следовательно, увеличится давление. При этом повысится концентрация всех газов в системе и изменится соотношение между скоростями прямой и обратной реакций, т. е. равновесие нарушится. Чтобы восстановить равновесие в системе, необходимо уменьшить давление.
Еще раз посмотрите на реакцию Габера — не подскажет ли она, как это может произойти?
Щг) + 3Н2(г) <-» 2NH3(г)
Итак, при протекании прямой реакции (синтез аммиака) из четырех молекул двух газов (одна молекула азота и три молекулы водорода) образуются две молекулы третьего газа — аммиака. В результате количество молекул газов в емкости уменьшается. А что касается обратной реакции (разложение аммиака), то из двух молекул газообразного аммиака образуется
четыре молекулы газов (азота и водорода). Таким образом, в результате этой реакции увеличивается количество молекул газов, находящихся в сосуде.
Давление газа является результатом ударов его молекул о стенки сосуда; при прочих равных условиях давление газа тем выше, чем больше молекул заключено в данном объеме газа. Поэтому реакция, протекающая с увеличением числа молекул газов, приводит к возрастанию давления, а реакция, протекающая с уменьшением числа молекул газов, — к его понижению.
С учетом изложенного выше влияние давления на химическое равновесие можно сформулировать следующим образом. При увеличении давления путем сжатия системы равновесие сдвигается в сторону уменьшения числа молекул газов, т. е. в сторону понижения давления; при уменьшении давления равновесие сдвигается в сторону возрастания числа молекул газов, т. е. в сторону увеличения давления.
В случае реакции получения аммиака прямая реакция (которая протекает слева направо) имеет преимущество: расходуется четыре молекулы газов, а образуется только две. А ведь именно прямая реакция нам и нужна для получения аммиака!