Например, для обратимой реакции

аА + bВ ⇆ сС + dD

закон действующих масс имеет вид

(5.1).

или, если вещества – газы,

, (5.2)

где [A], [В] и т. д. – равновесные концентрации веществ (моль/л);

Р_А, Р_В и т.д... – парциальные давления газов.

Например, для реакции 2СН_{4 (г)} ⇆ С₂Н_{2 (г)} + 3Н_{2 (г)}

закон действующих масс запишется:

или .

Если все реагенты газообразные и их поведение подчиняется законам идеальных газов, то связь между К_Р и К_С можно выразить уравнением:

, (5.3)

где Δ n - изменение числа молей газов в результате реакции; так что для рассматриваемой реакции Δ n = (1 + 3) - 2 = 2 и .

Константа равновесия обладает тем свойством, что она не зависит от концентрации реагентов и продуктов. В то же время константа равновесия зависит от температуры, – с увеличением температуры она увеличивается для эндотермических и уменьшается для экзотермических реакций.

В выражение ЗДМ включаются только концентрации растворов, концентрации или давления газов; конденсированные вещества в собственной фазе (Н₂О_ж, КСl_т и т.п.) в формулу не включаются. Например, для реакции

Fe₂O_{3 (т)} + 3H_{2 (г)} = 2Fe _(т) + 3H₂O _(ж) ; _.

Так как Fe₂O₃ , Fe и H₂O - конденсированные вещества, то равновесие реакции зависит только от концентрации Н_2.

Константа равновесия - важнейшая термодинамическая характеристика реакции. По величине константы равновесия (К) можно судить о степени протекания реакции. При очень большом значении К равновесие реакции сильно сдвинуто вправо (в сторону продуктов), а при очень низком значении К реакция протекает в очень незначительной степени и равновесная смесь содержит преимущественно реагенты. Кроме того, по величине К можно вычислять концентрации реагентов и продуктов при достижении равновесия и, как будет показано ниже, DG реакции.

Пример 1. В системе CO + Cl₂ ⇆ COCl₂ равновесные концентрации веществ составляют [CO₂]_p = 0, 3; [CO] _p = 0, 2; [COCl₂]_p = 1, 2 моль/л. Вычислить константу равновесия системы и исходные концентрации CO и Cl₂.

Решение. Найдем константу равновесия, подставив числовые значения равновесных концентраций в выражение константы равновесия:

Исходная концентрация реагента равна сумме равновесной и израсходованной к моменту равновесия. Из уравнения реакции видно, что для образования 1 моль COCl₂ расходуется по 1 моль СО и Cl₂. Следовательно,

[CO]_исх = [CO]_p + [CO]_изр = 0, 2 + 1, 2 = 1, 4 моль/л.

[Cl₂]_исх = [Cl₂]_p + [Cl₂]_изр = 0, 3 + 1, 2 = 1, 5 моль/л.

Пример 2. Равновесие реакции N₂(г) + 3H₂(г) ⇆ 2NH₃(г) установилось при следующих концентрациях веществ: [N₂] = 2, 5; [Н₂] = 1, 8; [NH₃] = 3, 6 моль/л. Вычислите константу равновесия реакции и исходные концентрации азота и водорода.

Решеие. Согласно выражению 5.1: = 0, 89.

Для нахождения исходных концентраций азота и водорода учтем, что согласно уравнению реакции, из 1 моль азота получилось 2 моль NH₃. Расход азота составляет половину от полученного количества аммиака, т.е. 1, 8 моль/л. Расход водорода в 3 раза больше, чем расход азота, т.е. составляет 1, 8·3 = 5, 4 моль/л. Таким образом:

[N₂]_исх = [N₂]_p + [N₂]_изр = 2, 5 + 1, 8 = 4, 3 моль/л.

[H₂]_исх = [H₂]_p + [H₂]_изр = 1, 8 + 5, 4 = 7, 2 моль/л.

Пример 3. Константа равновесия системы H₂ + I₂ ⇆ 2HI при некоторой температуре равна 40. Определить, какая часть водорода и иода (%) перейдет в HI, если исходные концентрации этих веществ одинаковы и составляют 0, 01 моль/л, а [HI]_исх. = 0.

Решение. При решении подобных задач используется стехиометрическое уравнение реакции. Обозначим через x расход водорода к моменту наступления равновесия. Следовательно, равновесная концентрация Н₂ составит [H₂]_p = (0, 01 - x). Так как I₂ расходуется столько же, сколько и H₂ (по уравнению на 1 моль H₂ расходуется 1 моль I₂), то
[I₂]_p = (0, 01 - x). Из уравнения видно, что к моменту равновесия HI получается в 2 раза больше, чем расходуется H₂ , следовательно, [HI]_p = 2x. Запишем выражение для константы равновесия и подставим числовые значения равновесных концентраций:

.

Уравнение имеет два корня: х₁ = 0, 0146, х₂ = 0, 0076. Из двух значений х следует выбрать то, которое отвечает условию задачи. Исходные концентрации Н₂ и I₂ равны
0, 01 моль/л. Таким образом, х не может иметь значение больше 0, 01 и решение имеет одно значение 0, 0076 моль/л. Таким образом, из 0, 01 моль Н₂ и I₂ прореагировало 0, 0076 моль, что составляет

= 76%