Принцип Ле Шателье

Химическое равновесие, отвечающее минимуму энергии Гиббса
(DG = 0), является наиболее устойчивым состоянием системы при данных условиях. Изменение условий равновесия может его нарушить, в результате чего реакция начинает протекать в прямом или обратном направлении (при этом говорят, что равновесие смещается в сторону прямой или обратной реакции). Через некоторое время система вновь становится равновесной с новыми равновесными концентрациями всех реагирующих веществ. Направление смещения равновесия определяется принципом Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, подействовать извне, то равновесие смещается в том направлении, которое ослабляет это воздействие. Проиллюстрируем принцип смещения равновесия на следующих примерах.

Пример 7. В каком направлении должно смещаться равновесие реакции

N₂O_{4 (г)} ⇆ 2NO_{2 (г)}, DH° = 58, 0 кДж

при а) добавлении N₂O₄; б) удалении NO₂; в) повышении давления; г) увеличении температуры?

Решение. Согласно принципу Ле Шателье:

а) при добавлении N₂O₄ равновесие должно сместиться в направлении реакции, в результате которой концентрация этого вещества должна уменьшиться, т.е. в сторону прямой реакции (®);

б) при удалении NO₂ из системы равновесие будет смещаться в направлении того процесса, в результате которого образуется дополнительное количество NO₂ (вправо ®);

в) при повышении давления равновесие смещается в направлении процесса, идущего с уменьшением объема (уменьшения числа молекул газа), т.е. в сторону обратного процесса (←);

г) при повышении температуры равновесие смещается в направлении реакции, идущей с поглощением теплоты (эндотермической, DH > 0), т.е. вправо (®).

Пример 8. Определите, как изменится константа равновесия рассматриваемой реакции при изменении температуры:

N₂ + 3H₂ ⇆ 2NH₃, DH^о_х.р. = -92, 4 кДж.

Решение. Процесс синтеза аммиака является экзотермическим (DH^O< 0). Следовательно, согласно принципу Ле Шателье, при повышении температуры равновесие сместится в сторону реакции, идущей с поглощением теплоты, обратной реакции, т. е. в сторону образования дополнительных количеств реагентов (N₂, H₂). При этом К уменьшается. При понижении температуры К увеличивается, а равновесие смещается в направлении роста концентрации аммиака.

Пример 9. Для обратимой реакции

3CuO(т) + 2NH₃(г) ⇆ 3Cu(т) + N₂(г) + 3H₂O(г); ∆ H^о = –240 кДж,

запишите математическое выражение константы равновесия и перечислите факторы, приводящие к смещению равновесия вправо.

Решение. Согласно выражению 5.1: .

Напоминаем, что в выражение константы равновесия гетерогенной реакции входят только концентрации газообразных веществ, так как концентрации твердых веществ остаются, как правило, постоянными.

1. Протекание реакции вправо приводит к увеличению общего числа молей газов, поэтому, согласно принципу Ле Шателье, давление надо понизить.

2. Так как прямая реакция протекает с выделением теплоты (∆ Hº < 0), то температуру надо понижать.

3. Можно увеличить концентрацию NH₃ или уменьшить концентрации N₂ и H₂O.