Химическое равновесие
Как вы уже знаете, моей любимой реакцией является процесс Габера — синтез аммиака из газообразных азота и водорода. Сбалансировав эту реакцию (см. раздел «Понюхайте аммиак» ранее в главе), вы получите приведенную ниже формулу.
Щг) + 3Н2(г) — 2NHз(г)
Записанная в таком виде реакция свидетельствует о том, что водород и азот вступают во взаимодействие друг с другом, образуя аммиак, и этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не закончится один из двух реагентов или оба вместе. Но это не совсем верно. (Вот тебе и на! Выходит, мы тратим время по пустякам?)
Химическое равновесие
Так вот, если эта реакция протекает в закрытом сосуде (а это относится к обязательным условиям, так как реагенты находятся в газообразном состоянии), то азот и водород взаимодействуют друг с другом, образуя аммиак. Однако некоторое количество аммиака вскоре начинает разлагаться на азот и водород.
2NHз(г) — Щг) + 3Н2(г)
Следовательно, в сосуде на самом деле происходят две прямо противоположные реакции: азот и водород, соединяясь, образуют аммиак, а аммиак, в свою очередь, разлагается на азот и водород.
Вместо того чтобы записывать две отдельные реакции, можно записать одну, используя при этом двунаправленную стрелку.
Азот и водород показаны слева, так как они выступали в роли исходных веществ. Вначале при смешении исходных веществ скорость прямой реакции велика, а скорость обратной реакции равна нулю. По мере протекания реакции исходные вещества расходуются и их концентрации падают. В результате этого уменьшается скорость прямой реакции. Одновременно появляются продукты реакции, и их концентрация возрастает. Вследствие этого начинает идти обратная реакция, причем ее скорость постепенно увеличивается. Когда скорости прямой и обратной реакций становятся одинаковыми, наступает химическое равновесие. Так, в нашем случае устанавливается равновесие между азотом, водородом и аммиаком. Химическое равновесие называют динамическим равновесием. Этим подчеркивается, что при равновесии протекает и прямая и обратная реакция, но их скорости одинаковы, вследствие чего изменений в системе не заметно.
В качестве дополнительного пояснения приведу пример. Я рос на ферме в штате Северная Каролина, и моя мама Грейс очень любила маленьких собачек. Были времена, когда в нашем доме их было около дюжины. Когда мама открывала дверь, чтобы выпустить собак погулять, они выбегали из дома во двор. Однако некоторые из них тотчас возвращались обратно. Затем, воодушевляясь примером других собак, находящихся во дворе, они снова выбегали из дома. Таким образом получался бесконечный циклический забег туда и обратно. Иногда в доме находилось всего две или три собаки, а остальные резвились на свежем воздухе, но бывало и наоборот. И хотя количество собак всегда было одинаковым, нельзя утверждать, что собак, находившихся в доме и бегающих по двору, было поровну. Кроме того, в любое время кто-то из них выбегал из дома, а кто-то, наоборот, забегал в него. Это и есть пример динамического (и довольно шумного) равновесия.
В одних реакциях до момента наступления равновесия в системе образуется довольно большое количество продуктов (химических компонентов, указанных справа от двунаправленной стрелки), а в других — незначительное количество. Зная константу равновесия для реакции, можно определить относительные количества реагентов и продуктов реакции в момент наступления равновесия в системе.
Рассмотрим воображаемую обратимую реакцию.
Здесь прописные буквы обозначают химические формулы веществ, а строчные — коэффициенты в уравнении реакции.
Константа равновесия1 (обозначаемая как Keq) математически определяется как
Таким образом, константа равновесия обратимой реакции представляет собой постоянную величину, показывающую то соотношение между концентрациями продуктов реакции (числитель) и исходных веществ (знаменатель), которое устанавливается при равновесии. (Сейчас это не важно, но скобки в формуле обозначают так называемую молярную концентрацию. Более подробно об этом речь идет в главе 11, «Размешивание вещества: растворы».) Обратите внимание на то, что наряду с Keq в качестве обозначения константы равновесия2 используется Kc.
Константа химического равновесия служит количественной характеристикой химического равновесия.
Чем больше значение константы равновесия (Keq), тем больше концентрация продуктов реакции, которая устанавливается при равновесии. Например, если константа равновесия некоторой реакции при комнатной температуре равна 0,001, а при 100 °C — 0,1, это свидетельствует о том, что при более высокой температуре концентрация продуктов реакции выше.
Для процесса Габера (синтез аммиака) значение Keq при комнатной температуре равно 3,5 х108. Такое большое значение указывает на то, что при равновесии концентрация продукта реакции (аммиака) намного больше концентрации исходных веществ (водорода и азота). Если вы, скажем, специалист по химическому производству и работаете на предприятии по синтезу аммиака, то ваша основная задача должна заключаться в том, чтобы как можно большее количество реагентов превратилось в продукты реакции. Другими словами, вы хотите, чтобы прямая реакция протекала до конца (т. е. реагенты продолжали бы вступать в реакцию до тех пор, пока один из них или оба не закончатся), однако при этом знаете, что реакция синтеза аммиака обратимая и это изменить нельзя. Впрочем, было бы прекрасно каким-то образом влиять на протекание реакции, чтобы получить максимальный выход продукта. Это можно реализовать с помощью принципа Ле Шателье.