Нарушение равновесия вследствие изменения температуры

Равновесие подавляющего большинства химических реакций сдвигается при изменении температуры. Фактором, который определяет направление смещения равновесия, является при этом знак теплового эффекта реакции. Можно показать, что при повышении температуры равновесие смещается в направлении эндотермической, а при понижении – в направлении экзотермической реакции.

Так, синтез аммиака представляет собой экзотермическую реакцию.

N₂ + 3H₃ ↔ 2NH₃ ∆H = - 92,4 кДж

Поэтому при повышении температуры равновесие в системе H₂ – N₂ – NH₃ сдвигается влево – в сторону разложения аммиака, так как этот процесс идет с поглощением теплоты.

Наоборот, синтез оксида азота (II) представляет собой эндотермическую реакцию:

N₂ + O₂ ↔2NO ∆H = 180,5 кДж

Поэтому при повышении температуры равновесие в системе N₂ - O₂ – NO сдвигается вправо – в сторону образования NO.

Влияние различных факторов на состояние химического равновесия качественно описывается принципом смещения равновесия Ле Шателье (1884). Согласно этому принципу, при всяком внешнем воздействии на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, в ней протекают процессы, приводящие к уменьшению этого воздействия. Действительно, повышение температуры увеличивает выход продуктов эндотермических реакций, в ходе которых подводимая из вне теплота поглощается. Реакции, сопровождающиеся выделением теплоты, протекают более полно при охлаждении. Аналогичным образом при увеличении давления стимулируется реакция, сопровождающаяся уменьшением объема, так как этот процесс способствует уменьшению влияния давления. Добавление в реакционную смесь, находящуюся в равновесии, одного из компонентов способствует протеканию той реакции, в ходе которой этот компонент расходуется. Практическое использование принципа смещения равновесия можно показать на примере синтеза аммиака. Эта реакция экзотермична и протекает с уменьшением объема:

3H₂ + N₂ ↔ 2NH₃ (∆H < 0).

Синтез аммиака идет тем полнее, чем ниже температура (∆H < 0).Однако при низких температурах процесс достижения равновесия протекает очень медленно и для его ускорения необходим подогрев. Нагревание же способствует уменьшению выхода вследствие ускорения эндотермической реакции диссоциации NH₃. Однако, поскольку образование аммиака сопровождается уменьшением объема, снижение выхода аммиака за счет нагревания можно компенсировать увеличением давления в системе. Таким образом, одновременное повышение температуры и увеличение давления ускоряет процесс достижения равновесия и увеличивает выход аммиака. (табл.4.1).

Таблица 4.1. Зависимость выхода аммиака от температуры и давления

Температура,^0С	Объемное содержание аммиака (%) при давлении, МПа
0,1
	0,405 0,214 0,1216 0,0736 0,0470	25,37 16,10 14,87 6,82 4,53	48,18 35,87 25,80 18,23 12,84	79,34 62,70 51,05 40,19 30,92

Из табл. 4.1. видно, что при p = const с ростом температуры выход аммиака уменьшается, однако при Т=const с ростом давления содержание аммиака в газовой смеси резко растет.

Принцип смещения равновесия применим только к системам, находящимся в состоянии истинного химического равновесия, поэтому в конденсированных (особенно в твердофазных) системах, процессы в которых часто заторможены, применение этого принципа ограниченно.

Принцип Ле Шателье распространяется не только на химические, но и на различные физико-химические равновесия. Смещение равновесия при изменении условий таких процессов как кипение, кристаллизация, растворение происходит в соответствии с принципом Ле Шателье.

Дата добавления: 2014-01-04