Stellen Sie sich eine reversible chemische Reaktion allgemeiner Form vor, bei der sich alle Substanzen im gleichen Aggregatzustand befinden, z. B. flüssig:

aA + bB D cC + d D,

wobei A und B die Ausgangsmaterialien der direkten Reaktion sind; C und D sind direkte Reaktionsprodukte; a, b, c und d- stöchiometrische Koeffizienten.

Zum Anfangszeitpunkt, wenn die Konzentration der Stoffe A und B am höchsten ist, ist auch die Geschwindigkeit der direkten Reaktion am höchsten und nach dem Massenwirkungsgesetz gleich

u pr \u003d k 1 C A ein C B in (6.1)

wobei k 1 die Geschwindigkeitskonstante der direkten Reaktion ist.

Mit der Zeit nimmt die Konzentration der Stoffe A und B ab und damit auch die Geschwindigkeit der direkten Reaktion.

Zum Anfangszeitpunkt ist die Konzentration der Substanzen C und D gleich Null, und folglich ist die Geschwindigkeit der Rückreaktion gleich Null, im Laufe der Zeit steigt die Konzentration der Substanzen C und D, und folglich die Geschwindigkeit der Rückreaktion nimmt ebenfalls zu und wird gleich sein

u arr \u003d k 2 C C mit C D d (6.2)

wobei k 2 die Geschwindigkeitskonstante der Rückreaktion ist.

Im Moment des Erreichens des Gleichgewichts nehmen die Konzentrationen den Wert des Gleichgewichts an, und die Geschwindigkeiten sind daher einander gleich u pr \u003d u arr

k 1 C EIN ein C B c = k 2 C C c C D d (6.3)

Verschieben wir die Geschwindigkeitskonstanten in die eine Richtung und die Konzentrationen in die andere:

Das Verhältnis zweier Konstanten ist eine Konstante und wird als Konstante des chemischen Gleichgewichts bezeichnet:

Die Gleichgewichtskonstante zeigt wie oft die Geschwindigkeit der Hinreaktion größer oder kleiner ist als die Geschwindigkeit der Rückreaktion.

Gleichgewichtskonstante ist das Verhältnis des Produkts der Gleichgewichtskonzentrationen der Reaktionsprodukte, potenziert mit ihren stöchiometrischen Koeffizienten, zum Produkt der Gleichgewichtskonzentrationen der Ausgangsmaterialien, potenziert mit ihren stöchiometrischen Koeffizienten.

Der Wert der Gleichgewichtskonstante hängt von der Art der reagierenden Substanzen und der Temperatur ab und nicht von der Konzentration im Moment des Gleichgewichts, da ihr Verhältnis immer ein konstanter Wert ist, der numerisch gleich der Gleichgewichtskonstante ist. Wenn eine homogene Reaktion zwischen Substanzen in Lösung auftritt, wird die Gleichgewichtskonstante mit K C bezeichnet, und wenn zwischen Gasen, dann mit K P.

wobei Р С, Р D , Р А und Р В die Gleichgewichtsdrücke der Reaktionsteilnehmer sind.

Verwenden der Gleichung Clapeyron-Mendeleev, können Sie die Beziehung zwischen K P und K C bestimmen

Verschieben Sie die Lautstärke auf die rechte Seite

p = RT, d.h. p = CRT (6.9)

Wir setzen Gleichung (6.9) in (6.7) für jedes Reagenz ein und vereinfachen

wobei Dn die Änderung der Molzahl der gasförmigen Reaktionsteilnehmer ist

Dn = (s + d) - (a + c) (6.11)

Somit,

K P \u003d K C (RT) D n (6.12)

Aus Gleichung (6.12) ist ersichtlich, dass K P = K C, wenn sich die Molzahl der gasförmigen Reaktionsteilnehmer nicht ändert (Dn = 0) oder keine Gase im System vorhanden sind.

Zu beachten ist, dass bei einem heterogenen Prozess die Konzentration der festen oder flüssigen Phase im System nicht berücksichtigt wird.

Zum Beispiel die Gleichgewichtskonstante für eine Reaktion der Form 2A + 3B \u003d C + 4D, vorausgesetzt, dass alle Substanzen Gase sind und die Form haben

und wenn D fest ist, dann

Die Gleichgewichtskonstante ist von großer theoretischer und praktischer Bedeutung. Der Zahlenwert der Gleichgewichtskonstante ermöglicht es, die praktische Möglichkeit und Tiefe einer chemischen Reaktion zu beurteilen.

Wenn K > 1, dann verläuft diese Reaktion mit einer signifikanten Ausbeute an Reaktionsprodukten; wenn K > 10 4 , dann ist die Reaktion irreversibel; wenn k< 1, то такая реакция нетехнологична; если K < 10 -4 , то такая реакция невозможна.

Wenn man die Gleichgewichtskonstante kennt, kann man die Zusammensetzung des Reaktionsgemisches im Moment des Gleichgewichts bestimmen und die Ausbeutekonstante der Reaktionsprodukte berechnen. Die Gleichgewichtskonstante kann durch experimentelle Methoden, durch Analyse der quantitativen Zusammensetzung des Reaktionsgemisches im Moment des Gleichgewichts oder durch Anwendung theoretischer Berechnungen bestimmt werden. Für viele Reaktionen unter Standardbedingungen ist die Gleichgewichtskonstante ein Tabellenwert.

6.3. Faktoren, die das chemische Gleichgewicht beeinflussen. Das Prinzip von Le Chatelier

Unter äußerer Einwirkung auf das System verschiebt sich das chemische Gleichgewicht, d.h. die Gleichgewichtskonzentrationen der Ausgangsstoffe und Reaktionsprodukte ändern sich. Steigen durch einen äußeren Einfluss die Gleichgewichtskonzentrationen der Reaktionsprodukte an, so spricht man von einer Verschiebung des Gleichgewichts nach rechts (in Richtung der direkten Reaktion). Steigen durch einen äußeren Einfluss die Gleichgewichtskonzentrationen der Ausgangsstoffe an, so spricht man von einer Verschiebung des Gleichgewichts nach links (in Richtung der Rückreaktion).

Der Einfluss verschiedener Faktoren auf die Verschiebung des chemischen Gleichgewichts spiegelt sich wider Das Prinzip von Le Chatelier (1884): Wird auf ein System im stabilen chemischen Gleichgewicht von außen durch Änderung der Temperatur, des Drucks oder der Konzentration eingewirkt, so verschiebt sich das chemische Gleichgewicht in die Richtung, in der die Wirkung der erzeugten Wirkung abnimmt.

Zu beachten ist, dass der Katalysator das chemische Gleichgewicht nicht verschiebt, sondern nur dessen Einsetzen beschleunigt.

Betrachten Sie den Einfluss jedes Faktors auf die Verschiebung des chemischen Gleichgewichts für eine allgemeine Reaktion:

aA + bB = cC + d D±Q.

Auswirkung der Konzentrationsänderung. Nach dem Le-Chatelier-Prinzip führt eine Erhöhung der Konzentration einer der Komponenten einer chemischen Gleichgewichtsreaktion zu einer Verschiebung des Gleichgewichts hin zu einer Erhöhung der Reaktion, in der die chemische Verarbeitung dieser Komponente stattfindet. Umgekehrt führt eine Abnahme der Konzentration einer der Komponenten zu einer Verschiebung des Gleichgewichts hin zur Bildung dieser Komponente.

Eine Erhöhung der Konzentration von Stoff A oder B verschiebt also das Gleichgewicht nach vorne; eine Erhöhung der Konzentration von Stoff C oder D verschiebt das Gleichgewicht in die entgegengesetzte Richtung; eine Abnahme der Konzentration von A oder B verschiebt das Gleichgewicht in die entgegengesetzte Richtung; eine Abnahme der Konzentration von Stoff C oder D verschiebt das Gleichgewicht nach vorne. (Schematisch kann man schreiben: -C A oder C B ®; -C C oder C D ¬; ¯ C A oder C B ¬; ¯ C C oder CD ®).

Die Wirkung der Temperatur. Die allgemeine Regel, die den Einfluss der Temperatur auf das Gleichgewicht bestimmt, hat die folgende Formulierung: eine Erhöhung der Temperatur trägt zu einer Verschiebung des Gleichgewichts hin zu einer endothermen Reaktion (– Q) bei; eine Absenkung der Temperatur trägt zu einer Verschiebung des Gleichgewichts hin zu einer exothermen Reaktion (+ Q) bei.

Reaktionen, die ohne thermische Effekte ablaufen, verschieben das chemische Gleichgewicht bei einer Temperaturänderung nicht. Eine Temperaturerhöhung führt in diesem Fall nur zu einer schnelleren Gleichgewichtseinstellung, die sich in dem gegebenen System auch ohne Erwärmung, aber über einen längeren Zeitraum einstellen würde.

So führt bei einer exothermen Reaktion (+ Q) eine Temperaturerhöhung zu einer Verschiebung des Gleichgewichts in die entgegengesetzte Richtung und umgekehrt bei einer endothermen Reaktion (- Q) zu einer Verschiebung der Vorwärtsrichtung durch eine Temperaturerhöhung Richtung und eine Temperaturabnahme in die entgegengesetzte Richtung. (Schematisch kann man schreiben: at +Q -T ¬; ¯T ®; at -Q -T ®; ¯T ¬).

Einfluss des Drucks. Wie die Erfahrung zeigt, wirkt sich der Druck merklich auf die Verschiebung nur der Gleichgewichtsreaktionen aus, an denen gasförmige Substanzen teilnehmen, und in diesem Fall ist die Änderung der Molzahl der gasförmigen Reaktionsteilnehmer (Dn) ungleich Null. Mit zunehmendem Druck verschiebt sich das Gleichgewicht in Richtung der Reaktion, die mit der Bildung einer geringeren Anzahl von Molen gasförmiger Substanzen einhergeht, und mit abnehmendem Druck - in Richtung der Bildung einer größeren Anzahl von Molen gasförmiger Substanzen.

Wenn also Dn = 0 ist, beeinflusst der Druck die Verschiebung des chemischen Gleichgewichts nicht; wenn Dn< 0, то увеличение давления смещает равновесие в прямом направлении, уменьшение давления в сторону обратной реакции; если Dn >0, dann verschiebt ein Druckanstieg das Gleichgewicht in die entgegengesetzte Richtung und ein Druckabfall - in Richtung einer direkten Reaktion. (Schematisch kann man schreiben: bei Dn = 0 wirkt P nicht; bei Dn 0 -P ¬, ¯P ®). Das Prinzip von Le Chatelier ist sowohl auf homogene als auch auf heterogene Systeme anwendbar und gibt ein qualitatives Merkmal einer Gleichgewichtsverschiebung an.

Als Gleichgewichtskonstante einer chemischen Reaktion bezeichnet man ein quantitatives Merkmal, das die Richtung der Reaktion und die Verschiebung der Konzentration von Stoffen angibt. Die Gleichgewichtskonstante hängt von der Temperatur und der Art der Reaktanten ab.

Reversible und irreversible Reaktionen

Alle Reaktionen können in zwei Typen unterteilt werden:

• reversibel, gleichzeitiges Fließen in zwei einander entgegengesetzte Richtungen;
• irreversibel mit dem Gesamtverbrauch mindestens eines Ausgangsstoffes in die gleiche Richtung fließt.

Bei irreversiblen Reaktionen entstehen meist unlösliche Substanzen in Form eines Niederschlags oder Gases. Zu diesen Reaktionen gehören:

• Verbrennung:

  C 2 H 5 OH + 3 O 2 → 2 CO 2 + H 2 O;

• Zersetzung:

  2KMnO 4 → K 2 MnO 4 + MnO 2 + H 2 O;

• Zusammenhang mit der Bildung eines Niederschlags oder Gases:

  BaCl 2 + Na 2 SO 4 → BaSO 4 ↓ + 2NaCl.

Reis. 1. Ausfällung von BaSO 4 .

Reversible Reaktionen sind nur unter bestimmten konstanten Bedingungen möglich. Aus den Ausgangsstoffen entsteht ein neuer Stoff, der sofort in seine Bestandteile zerfällt und wieder gesammelt wird. Beispielsweise zersetzt sich Stickstoffmonoxid (IV) als Ergebnis der Reaktion 2NO + O 2 ↔ 2NO 2 leicht in Stickstoffmonoxid (II) und Sauerstoff.

Gleichgewicht

Nach einer gewissen Zeit verlangsamt sich die Geschwindigkeit der reversiblen Reaktion. Es wird ein chemisches Gleichgewicht erreicht - ein Zustand, in dem sich die Konzentration der Ausgangsstoffe und Reaktionsprodukte im Laufe der Zeit nicht ändert, da die Geschwindigkeiten der Hin- und Rückreaktionen ausgeglichen sind. Gleichgewicht ist nur in homogenen Systemen möglich, dh alle reagierenden Stoffe sind entweder Flüssigkeiten oder Gase.

Betrachten Sie das chemische Gleichgewicht am Beispiel der Reaktion der Wechselwirkung von Wasserstoff mit Jod:

• direkte Reaktion -

  H 2 + I 2 ↔ 2HI;

• Rückreaktion -

  2HI ↔ H2 + I2.

Sobald zwei Reagenzien - Wasserstoff und Jod - gemischt werden, existiert noch kein Wasserstoff-Jod, da einfache Substanzen nur reagieren. Eine große Anzahl von Ausgangsstoffen reagiert aktiv miteinander, sodass die Geschwindigkeit der direkten Reaktion maximal ist. In diesem Fall findet die Rückreaktion nicht statt und ihre Geschwindigkeit ist Null.

Die Geschwindigkeit einer direkten Reaktion kann grafisch ausgedrückt werden:

ν pr = k pr ∙ ∙ ,

wobei k pr die Geschwindigkeitskonstante der direkten Reaktion ist.

Mit der Zeit werden die Reagenzien verbraucht, ihre Konzentration nimmt ab. Dementsprechend nimmt die Geschwindigkeit der Hinreaktion ab. Gleichzeitig steigt die Konzentration einer neuen Substanz, Jodwasserstoff, an. Wenn es sich ansammelt, beginnt es sich zu zersetzen, und die Geschwindigkeit der Rückreaktion nimmt zu. Es kann ausgedrückt werden als

ν anr = k anr ∙ 2 .

Jodwasserstoff wird quadriert, da der Koeffizient des Moleküls zwei ist.

Irgendwann gleichen sich die Raten der Hin- und Rückreaktion an. Es herrscht ein Zustand des chemischen Gleichgewichts.

Reis. 2. Diagramm der Reaktionsgeschwindigkeit gegen die Zeit.

Das Gleichgewicht kann entweder zu den Ausgangsstoffen oder zu den Reaktionsprodukten verschoben werden. Die Verschiebung unter dem Einfluss äußerer Faktoren wird als Prinzip von Le Chatelier bezeichnet. Das Gleichgewicht wird durch Temperatur, Druck und Konzentration einer der Substanzen beeinflusst.

Ständige Berechnung

In einem Gleichgewichtszustand laufen beide Reaktionen ab, aber gleichzeitig sind die Stoffkonzentrationen im Gleichgewicht (es bilden sich Gleichgewichtskonzentrationen), da die Raten ausgeglichen sind (ν pr \u003d ν arr).

Das chemische Gleichgewicht wird durch die chemische Gleichgewichtskonstante charakterisiert, die durch die zusammenfassende Formel ausgedrückt wird:

K p \u003d k pr / k arr \u003d const.

Die Reakönnen als Reaktionsgeschwindigkeitsverhältnis ausgedrückt werden. Nehmen wir die Bedingungsgleichung der Rückreaktion:

aA + bB ↔ cC + dD.

Dann sind die Raten der Hin- und Rückreaktion gleich:

• ν Ink = k Ink ∙ [A] p a ∙ [B] p b
• ν arr = k arr ∙ [C] p c ∙ [D] p d .

Dementsprechend, wenn

ν pr \u003d ν arr,

k ex ∙ [A] p a ∙ [B] p b = k arr ∙ [C] p c ∙ [D] p d .

Von hier aus können wir das Verhältnis der Konstanten ausdrücken:

k arr / k inc = [C] p c ∙ [D] p d / [A] p a ∙ [B] p b .

Dieses Verhältnis ist gleich der Gleichgewichtskonstante:

K p = [C] p c ∙ [D] p d / [A] p ein ∙ [B] p b .

Reis. 3. Die Formel für die Gleichgewichtskonstante.

Der Wert zeigt an, wie oft die Geschwindigkeit der Hinreaktion größer ist als die Geschwindigkeit der Rückreaktion.

Was haben wir gelernt?

Reaktionen in Abhängigkeit von den Endprodukten werden in reversibel und irreversibel eingeteilt. Reversible Reaktionen verlaufen in beide Richtungen: Aus Ausgangsstoffen entstehen Endprodukte, die in Ausgangsstoffe zerfallen. Während einer Reaktion gleichen sich die Raten der Hin- und Rückreaktion aus. Dieser Zustand wird chemisches Gleichgewicht genannt. Sie kann als Verhältnis des Produkts der Gleichgewichtskonzentrationen der Reaktionsprodukte zum Produkt der Gleichgewichtskonzentrationen der Ausgangsmaterialien ausgedrückt werden.

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1885 wurden vom französischen Physiker und Chemiker Le Chatelier und 1887 vom deutschen Physiker Braun das Gesetz des chemischen Gleichgewichts und die chemische Gleichgewichtskonstante begründet und ihre Abhängigkeit vom Einfluss verschiedener äußerer Faktoren untersucht.

Die Essenz des chemischen Gleichgewichts

Gleichgewicht ist ein Zustand, der bedeutet, dass die Dinge immer in Bewegung sind. Produkte werden in Reagenzien zerlegt und Reagenzien werden zu Produkten kombiniert. Die Dinge bewegen sich, aber die Konzentrationen bleiben gleich. Die Reaktion wird mit einem Doppelpfeil anstelle eines Gleichheitszeichens geschrieben, um zu zeigen, dass sie umkehrbar ist.

Klassische Muster

Bereits im letzten Jahrhundert entdeckten Chemiker bestimmte Muster, die die Möglichkeit bieten, die Richtung der Reaktion im selben Behälter zu ändern. Zu wissen, wie chemische Reaktionen funktionieren, ist sowohl für die Laborforschung als auch für die industrielle Produktion von enormer Bedeutung. Gleichzeitig ist die Fähigkeit, all diese Phänomene zu kontrollieren, von großer Bedeutung. Es liegt in der Natur des Menschen, in viele natürliche Prozesse, insbesondere reversible, einzugreifen, um sie später zum eigenen Vorteil zu nutzen. Das Wissen über chemische Reaktionen ist nützlicher, wenn Sie die Hebel zu ihrer Steuerung beherrschen.

Das Massenwirkungsgesetz in der Chemie wird von Chemikern verwendet, um Reaktionsgeschwindigkeiten richtig zu berechnen. Es gibt eine klare Vorstellung davon, dass keine abgeschlossen wird, wenn sie in einem geschlossenen System stattfindet. Die Moleküle der resultierenden Substanzen befinden sich in ständiger und zufälliger Bewegung, und es kann bald zu einer Rückreaktion kommen, bei der die Moleküle des Ausgangsmaterials wiederhergestellt werden.

In der Industrie werden am häufigsten offene Systeme eingesetzt. Gefäße, Apparate und sonstige Behältnisse, in denen chemische Reaktionen stattfinden, bleiben unverschlossen. Dies ist notwendig, damit es möglich ist, während dieser Prozesse das gewünschte Produkt zu extrahieren und unbrauchbare Reaktionsprodukte loszuwerden. Beispielsweise wird Kohle in offenen Hochöfen verbrannt, Zement in offenen Hochöfen hergestellt, Hochöfen arbeiten mit konstanter Luftzufuhr und Ammoniak wird synthetisiert, indem Ammoniak selbst kontinuierlich entfernt wird.

Reversible und irreversible chemische Reaktionen

Anhand des Namens kann man die entsprechenden Definitionen geben: Irreversible Reaktionen sind solche, die beendet werden, ihre Richtung nicht ändern und unabhängig von Druckabfällen und Temperaturschwankungen auf einer bestimmten Bahn verlaufen. Ihr Unterscheidungsmerkmal ist, dass einige Produkte die Reaktionssphäre verlassen können. So ist es beispielsweise möglich, Gas (CaCO 3 \u003d CaO + CO 2), einen Niederschlag (Cu (NO 3) 2 + H 2 S \u003d CuS + 2HNO 3) oder andere zu erhalten, die ebenfalls als irreversibel angesehen werden, wenn Während des Prozesses wird eine große Menge Wärmeenergie freigesetzt, zum Beispiel: 4P + 5O 2 \u003d 2P 2 O 5 + Q.

Fast alle in der Natur vorkommenden Reaktionen sind reversibel. Unabhängig von äußeren Bedingungen wie Druck und Temperatur können nahezu alle Prozesse gleichzeitig in verschiedene Richtungen ablaufen. Wie das Massenwirkungsgesetz in der Chemie besagt, ist die absorbierte Wärmemenge gleich der freigesetzten Wärmemenge, was bedeutet, dass, wenn eine Reaktion exotherm war, die zweite (umgekehrte) endotherm sein wird.

Chemisches Gleichgewicht: chemische Gleichgewichtskonstante

Reaktionen sind die "Verben" der Chemie - die Aktivitäten, die Chemiker studieren. Viele Reaktionen gehen zu Ende und stoppen dann, was bedeutet, dass die Reaktanten vollständig in Produkte umgewandelt werden, ohne dass sie in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren können. In einigen Fällen ist die Reaktion tatsächlich irreversibel, zum Beispiel wenn sich die Verbrennung sowohl physikalisch als auch chemisch ändert, aber es gibt viele andere Umstände, in denen sie nicht nur möglich, sondern auch kontinuierlich ist, da die Produkte der ersten Reaktion zu Reaktanten werden der Zweite.

Der dynamische Zustand, in dem die Konzentrationen von Edukten und Produkten konstant bleiben, wird als Gleichgewicht bezeichnet. Es ist möglich, das Verhalten von Substanzen anhand bestimmter Gesetze vorherzusagen, die in Industrien angewendet werden, die versuchen, die Kosten für die Herstellung bestimmter Chemikalien zu senken. Das Konzept des chemischen Gleichgewichts ist auch nützlich, um Prozesse zu verstehen, die die menschliche Gesundheit erhalten oder potenziell bedrohen. Die chemische Gleichgewichtskonstante ist der Wert eines Reaktionsfaktors, der von der Ionenstärke und der Temperatur abhängt und unabhängig von den Konzentrationen der Reaktanten und Produkte in Lösung ist.

Berechnung der Gleichgewichtskonstante

Dieser Wert ist dimensionslos, das heißt, er hat keine bestimmte Anzahl von Einheiten. Obwohl die Rechnung meist für zwei Edukte und zwei Produkte geschrieben wird, funktioniert sie für beliebig viele Reaktionsteilnehmer. Die Berechnung und Interpretation der Gleichgewichtskonstante hängt davon ab, ob die chemische Reaktion mit einem homogenen oder heterogenen Gleichgewicht verbunden ist. Das bedeutet, dass alle reagierenden Komponenten reine Flüssigkeiten oder Gase sein können. Bei Reaktionen, die ein heterogenes Gleichgewicht erreichen, liegt in der Regel nicht eine Phase vor, sondern mindestens zwei. Zum Beispiel Flüssigkeiten und Gase oder und Flüssigkeiten.

Der Wert der Gleichgewichtskonstante

Für jede gegebene Temperatur gibt es nur einen Wert für die Gleichgewichtskonstante, die sich nur ändert, wenn sich die Temperatur, bei der die Reaktion stattfindet, in die eine oder andere Richtung ändert. Einige Vorhersagen über eine chemische Reaktion können basierend darauf getroffen werden, ob die Gleichgewichtskonstante groß oder klein ist. Wenn der Wert sehr groß ist, dann begünstigt das Gleichgewicht die Reaktion nach rechts und es werden mehr Produkte erhalten, als es Edukte gab. Die Reaktion kann in diesem Fall als "total" oder "quantitativ" bezeichnet werden.

Wenn der Wert der Gleichgewichtskonstante klein ist, begünstigt dies die Reaktion nach links, wo die Menge der Reaktanten größer war als die Anzahl der gebildeten Produkte. Wenn dieser Wert gegen Null geht, können wir davon ausgehen, dass die Reaktion nicht stattfindet. Wenn die Werte der Gleichgewichtskonstanten für die direkte und die umgekehrte Reaktion nahezu gleich sind, ist auch die Menge an Reaktanten und Produkten nahezu gleich. Diese Art von Reaktion gilt als reversibel.

Betrachten Sie eine spezifische reversible Reaktion

Nehmen Sie zwei solche chemischen Elemente wie Jod und Wasserstoff, die, wenn sie gemischt werden, eine neue Substanz ergeben - Jodwasserstoff.

Für v 1 nehmen wir die Geschwindigkeit der direkten Reaktion, für v 2 - die Geschwindigkeit der Rückreaktion, k - die Gleichgewichtskonstante. Unter Verwendung des Massenwirkungsgesetzes erhalten wir den folgenden Ausdruck:

v 1 \u003d k 1 * c (H 2) * c (I 2),

v2 = k2 * c2 (HI).

Beim Mischen von Jod- (I 2) und Wasserstoffmolekülen (H 2) beginnt ihre Wechselwirkung. In der Anfangsphase ist die Konzentration dieser Elemente maximal, aber am Ende der Reaktion wird die Konzentration einer neuen Verbindung, Jodwasserstoff (HI), maximal sein. Dementsprechend werden auch die Reaktionsgeschwindigkeiten unterschiedlich sein. Ganz am Anfang werden sie maximal sein. Im Laufe der Zeit kommt ein Moment, in dem diese Werte gleich sind, und dies ist der Zustand, der als chemisches Gleichgewicht bezeichnet wird.

Der Ausdruck der chemischen Gleichgewichtskonstante wird in der Regel mit eckigen Klammern angegeben: , , . Da im Gleichgewicht die Geschwindigkeiten gleich sind, gilt:

k 1 \u003d k 2 2,

so erhalten wir die Gleichung der chemischen Gleichgewichtskonstante:

k 1 /k 2 = 2 / = K.

Le Chatelier-Brown-Prinzip

Dabei gilt folgende Regelmäßigkeit: Wenn auf ein System, das sich im Gleichgewicht befindet, eine bestimmte Wirkung ausgeübt wird (z. B. die Bedingungen des chemischen Gleichgewichts durch Änderung der Temperatur oder des Drucks ändern), dann verschiebt sich das Gleichgewicht, um der Wirkung teilweise entgegenzuwirken Veränderung. Neben der Chemie gilt dieses Prinzip in leicht abgewandelter Form auch für die Bereiche Pharmakologie und Wirtschaftswissenschaften.

Chemische Gleichgewichtskonstante und Wege ihres Ausdrucks

Der Gleichgewichtsausdruck kann in Bezug auf die Konzentration von Produkten und Reaktanten ausgedrückt werden. In die Gleichgewichtsformel gehen nur Chemikalien in der wässrigen und gasförmigen Phase ein, da sich die Konzentrationen von Flüssigkeiten und Feststoffen nicht ändern. Welche Faktoren beeinflussen das chemische Gleichgewicht? Wenn es sich um eine reine Flüssigkeit oder einen Feststoff handelt, wird davon ausgegangen, dass sie K \u003d 1 hat, und wird daher mit Ausnahme hochkonzentrierter Lösungen nicht mehr berücksichtigt. Zum Beispiel hat reines Wasser eine Aktivität von 1.

Ein weiteres Beispiel ist fester Kohlenstoff, der durch die Reaktion zweier Moleküle Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und Kohlenstoff entstehen kann. Zu den Faktoren, die das Gleichgewicht beeinflussen können, gehört die Zugabe eines Reaktanten oder Produkts (Konzentrationsänderungen beeinflussen das Gleichgewicht). Die Zugabe eines Reaktanten kann das Gleichgewicht in der chemischen Gleichung nach rechts bringen, wo mehr Formen des Produkts auftreten. Die Zugabe von Produkt kann das Gleichgewicht nach links bringen, wenn mehr Reaktantenformen verfügbar werden.

Gleichgewicht tritt auf, wenn eine in beide Richtungen verlaufende Reaktion ein konstantes Verhältnis von Produkten und Edukten aufweist. Im Allgemeinen ist das chemische Gleichgewicht statisch, da das Mengenverhältnis von Produkten und Edukten konstant ist. Bei genauerer Betrachtung zeigt sich jedoch, dass das Gleichgewicht tatsächlich ein sehr dynamischer Prozess ist, da sich die Reaktion in beide Richtungen gleich schnell bewegt.

Dynamisches Gleichgewicht ist ein Beispiel für eine stationäre Funktion. Bei einem System im stationären Zustand setzt sich das aktuell beobachtete Verhalten in die Zukunft fort. Sobald die Reaktion das Gleichgewicht erreicht hat, bleibt daher das Verhältnis von Produkt- zu Reaktantenkonzentrationen gleich, selbst wenn die Reaktion fortgesetzt wird.

Wie einfach ist es, über komplexe Dinge zu sprechen?

Konzepte wie chemisches Gleichgewicht und chemische Gleichgewichtskonstante sind ziemlich schwer zu verstehen. Nehmen wir ein Beispiel aus dem Leben. Sind Sie schon einmal auf einer Brücke zwischen zwei Städten steckengeblieben und haben festgestellt, dass der Verkehr in die andere Richtung flüssig und maßvoll verläuft, während Sie hoffnungslos im Stau stehen? Das ist nicht gut.

Was wäre, wenn die Autos vermessen wären und sich auf beiden Seiten gleich schnell bewegen würden? Würde die Zahl der Autos in beiden Städten konstant bleiben? Wenn die Ein- und Ausfahrtsgeschwindigkeit in beiden Städten gleich ist und die Anzahl der Autos in jeder Stadt über die Zeit stabil ist, bedeutet dies, dass sich der gesamte Prozess in einem dynamischen Gleichgewicht befindet.

konstant (von lat. constans, genus n. constantis - konstant, unverändert), - ein solches Objekt in einer bestimmten Theorie, dessen Wert im Rahmen dieser Theorie (oder manchmal engeren Betrachtung) immer als gleich angesehen wird. K. stehen solchen Objekten gegenüber, deren Werte sich ändern (von selbst oder abhängig von der Änderung der Werte anderer Objekte). Die Anwesenheit von K. im Ausdruck vieler. Gesetze der Natur und der Gesellschaft widerspiegelt bezieht sich. die Unveränderlichkeit bestimmter Aspekte der Realität, die sich in der Anwesenheit von Mustern manifestiert. Eine wichtige Sorte von K. ist K., bezogen auf die Anzahl der physischen. Größen wie Länge, Zeit, Kraft, Masse (z. B. die Ruhemasse eines Elektrons) oder komplexere Größen, die numerisch ausgedrückt werden in Bezug auf die Verhältnisse zwischen diesen K. oder ihren Potenzen, wie Volumen, Geschwindigkeit, Arbeit, usw. .P. (zB die Erdbeschleunigung der Erdoberfläche). Die von K. dieser Art, To-Roggen gelten in der Moderne. Physik (im Rahmen ihrer jeweiligen Theorien) relevant für den gesamten beobachtbaren Teil des Universums, genannt. Welt (oder universell) K.; Beispiele für solche Quanten sind die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, die Plancksche Quantenkonstante (d. h. der Wert des sogenannten Wirkungsquantums), die Gravitationskonstante und andere. 20. Jahrhundert Gleichzeitig versuchten einige ausländische Wissenschaftler (der englische Physiker und Astronom A. Eddington, der deutsche Physiker Heisenberg, der österreichische Physiker A. March usw.), sie idealistisch zu machen. Interpretation. So sah Eddington im System der Welt K. eine der Manifestationen der Autarkie. die Existenz idealer mathematischer Formen, die die Harmonie der Natur und ihrer Gesetze zum Ausdruck bringen. Tatsächlich spiegeln universelle K. keine eingebildete Selbstgenügsamkeit wider. Wesen (außerhalb von Dingen und Erkenntnis) der angegebenen Formen und (meist mathematisch ausgedrückt) die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten der objektiven Realität, insbesondere die mit der Struktur der Materie verbundenen Gesetzmäßigkeiten. Tiefe Dialektik. die Bedeutung der Weltquantenmechanik zeigt sich darin, dass einige von ihnen (Plancksche Quantenkonstante, Lichtgeschwindigkeit im Vakuum) eine Art Maßstab sind, der verschiedene Klassen von Prozessen abgrenzt, die grundsätzlich unterschiedlich ablaufen; gleichzeitig weisen solche K. auf die Anwesenheit eines gewissen hin. Verbindungen zwischen den Phänomenen dieser Klassen. Also die Verbindung zwischen den Gesetzen der Klassik. und relativistischen Mechanik (siehe Relativitätstheorie) lässt sich aus der Betrachtung eines solchen begrenzenden Übergangs der Bewegungsgleichungen der relativistischen Mechanik zu den Bewegungsgleichungen der klassischen aufstellen. Mechanik, die mit Idealisierung verbunden ist, die in der Ablehnung der Vorstellung von der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum als endlichem K besteht. und im Verständnis der Lichtgeschwindigkeit als unendlich groß; bei einer anderen Idealisierung, die darin besteht, das Wirkungsquantum als infinitesimale Größe zu betrachten, gehen die Bewegungsgleichungen der Quantentheorie in die Bewegungsgleichungen der klassischen über. Mechanik usw. Neben diesen wichtigsten K., rein physikalisch bestimmt und in den Formulierungen vieler Grundstoffe vorkommend. Naturgesetze sind an gleicher Stelle weit verbreitet und solche, rein mathematisch definiert, K., wie die Zahl 0; ein; ? (das Verhältnis des Umfangs zum Durchmesser); e (Basis natürlicher Logarithmen); Eulersche Konstante ua Nicht minder häufig verwendet werden auch K., die die Ergebnisse bekannter Mathematik sind. Operationen auf dem angegebenen K. Aber je schwieriger es ist, das häufig verwendete K. durch einfacher definierte K. (oder so einfachste K. wie 0 und 1) und bekannte Operationen auszudrücken, desto unabhängiger ist seine Teilnahme an der Formulierung von diese Gesetze und Beziehungen, in To-Rych kommt es vor, desto öfter wird dafür ein Special eingeführt. Bezeichnung, berechnen oder messen Sie es so genau wie möglich. Einige der Größen treten sporadisch auf und sind K. nur im Rahmen der Betrachtung eines bestimmten Problems, und sie können sogar von der Wahl der Bedingungen (Werte von Parametern) des Problems abhängen und erst unter diesen Bedingungen zu K. werden sind repariert. Solche K. werden oft mit den Buchstaben C oder K bezeichnet (ohne diese Bezeichnungen ein für alle Mal mit demselben K. zu verknüpfen) oder sie schreiben einfach, dass dieser und jener Wert \u003d const. A. Kusnezow, I. Ljachow. Moskau. In Fällen, in denen Funktionen die Rolle der betrachteten Objekte in Mathematik oder Logik spielen, werden K. solche genannt, deren Wert nicht von den Werten der Argumente dieser Funktionen abhängt. Beispielsweise ist K. die Differenz x–x als Funktion von x, weil für alle (numerischen) Werte der Variablen x ist der Wert der Funktion x–x dieselbe Zahl 0. für alle möglichen Werte seines Arguments A hat es (im Rahmen der üblichen, klassischen Algebra der Logik) denselben Wert 1 (der durch den damit bedingt identifizierten logischen Wert „wahr“ gekennzeichnet ist). Ein Beispiel für ein komplexeres K. aus der Algebra der Logik ist die Funktion (AB? BA). In einigen Fällen wird eine Funktion, deren Wert konstant ist, mit diesem Wert selbst identifiziert. In diesem Fall erscheint der Wert der Funktion bereits als K. (genauer gesagt als eine Funktion, die ein K. ist). Argumente für diese Funktion können beliebige ausgewählte Literalvariablen sein (z. B. A, B, x, y usw.), weil Jedenfalls hängt es nicht von ihnen ab. In anderen Fällen erfolgt eine solche Identifizierung einer Funktion, die ein Schlüssel ist, nicht mit ihrem Wert, d.h. zwischen solchen zwei K. unterscheiden, von denen das eine eine Variable unter seinen Argumenten hat, das andere nicht. Dies ermöglicht es beispielsweise, eine Funktion als ihre Tabelle zu definieren und vereinfacht auch den Schaltplan. Definition bestimmter Operationen auf Funktionen. Neben solchen Konstanten, deren Werte Zahlen sind (möglicherweise benannt) oder durch Zahlen gekennzeichnet sind, gibt es auch andere Konstanten.Beispielsweise ist in der Mengenlehre eine wichtige Konstante die natürliche Reihe N; die Menge aller ganzen Zahlen ist nicht negativ. Zahlen. Der Wert der Funktion, der K. ist, kann auch ein Objekt beliebiger Natur sein. Betrachtet man beispielsweise Funktionen einer solchen Variablen A, deren Werte Teilmengen der natürlichen Reihe sind, kann man eine dieser Funktionen bestimmen, deren Wert für alle Werte der Variablen A die Menge aller Primzahlen ist. Neben dem körperlichen Größen und Funktionen in der Rolle solcher Objekte, von denen sich einige als K. herausstellen, betrachten häufig (besonders in Logik und Semantik) Zeichen und ihre Kombinationen: Wörter, Sätze, Begriffe, Formeln usw. und als Bedeutung diejenigen von sie, deren Bedeutungen nicht ausdrücklich erwähnt werden, ihre semantischen Bedeutungen (falls vorhanden). Gleichzeitig werden neue K aufgedeckt, also in der Arithmetik. Ausdruck (Term) 2 + 3–2 K. sind nicht nur die Zahlen 2 und 3 und die Ergebnisse der Operationen an ihnen, sondern auch die Zeichen + und -, deren Werte die Operationen der Addition und Subtraktion sind. Diese Zeichen, nämlich K. innerhalb des Theoretischen Die Berücksichtigung der gewöhnlichen Schularithmetik und Algebra hört auf, K. zu sein, wenn wir den weiteren Bereich der Moderne betreten. Algebra oder Logik, wobei das +-Zeichen in einigen Fällen die Bedeutung der Operation der gewöhnlichen Addition von Zahlen hat, in anderen Fällen (z. B. in der Algebra der Logik) - Addition Modulo 2 oder Boolesche Addition, in anderen Fällen - eine andere Operation . Bei engeren Betrachtungen (z. B. beim Aufbau eines bestimmten algebraischen oder logischen Systems) sind die Bedeutungen der Zeichen von Operationen jedoch festgelegt und diese Zeichen werden im Gegensatz zu den Zeichen von Variablen zu K. Die Auswahl eines logischen. Eine besondere Rolle spielt K. bei der Anwendung auf Gegenstände aus der Natur. Sprache. In der Rolle des logischen K. auf Russisch. die Sprache umfasst zum Beispiel Vereinigungen wie „und“, „oder“ usw., solche Quantifizierungswörter wie „alle“, „alle“, „existiert“, „einige“ usw., solche Verbindungsverben wie „ is“, „essence“, „is“, etc., sowie komplexere Wendungen wie „if … then“, „if and only if“, „there is only one“, „the one that“ , „so dass“, „gleichwertig“ usw. Mittels Auswahl logisch. K. in der Natur. Die Sprache ist die Anerkennung der Ähnlichkeit ihrer Rolle in einer großen Anzahl von Fällen von Schlussfolgerungen oder anderen Überlegungen, die es ermöglichen, diese Fälle zu dem einen oder anderen einzigen Schema (logische Regel) zu kombinieren, in dem Objekte, die sich von denen unterscheiden, unterschieden werden durch K. werden durch die entsprechenden Variablen ersetzt. Je kleiner die Zahl der Schemata ist, die es schaffen, alle betrachteten Argumentationsfälle abzudecken, desto einfacher sind diese Schemata selbst, und je mehr wir gegen die Möglichkeit einer fehlerhaften Argumentation gesichert sind, desto gerechtfertigter ist die Wahl der logischen in diesen Schemata auftauchen. ZU. A. Kusnezow. Moskau. Zündete.: Eddington?., Raum, Zeit und Schwerkraft, übers. aus dem Englischen, O., 1923; Jeans, D., Das Universum um uns herum, übers. aus dem Englischen, L.–M., 1932; Geb. M., Mysteriöse Nummer 137, in Sa.: Uspekhi nat. Wissenschaften, Bd. 16, No. 6, 1936; Heisenberg W., Philos. Probleme der Atomphysik, M., 1953; sein eigenes, Planck's Discovery und DOS. Philosophie Fragen der Atomlehre, "Probleme der Philosophie", 1958, Nr. 11; sein eigenes, Physik und Philosophie, M., 1963; Sa. Kunst. durch Mathe. Logik und ihre Anwendung auf bestimmte Fragen der Kybernetik, in: Tr. 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Konzentration konstant

Bei der Berechnung von Gleichgewichten in realen Systemen ist es notwendig, das Vorhandensein von Fremdstoffen und deren Einfluss auf das Verhalten der Ausgangsstoffe und Produkte der untersuchten Reaktion zu berücksichtigen. Dieser Effekt kann sich sowohl in der elektrostatischen Wechselwirkung von Ionen als auch in der chemischen Wechselwirkung mit der Bildung leicht dissoziierter oder schwer löslicher Produkte äußern. In beiden Fällen wird eine Verschiebung des Gleichgewichts der untersuchten Reaktion beobachtet. Die Konzentrationskonstante wird als Gesamtkonzentration ausgedrückt und nicht als Aktivität der Ausgangsmaterialien und Reaktionsprodukte. Wenn Fremdstoffe keine konkurrierenden chemischen Reaktionen eingehen, kann die Konzentrationskonstante als Gleichgewichtskonzentration ausgedrückt werden. Zur Erleichterung des Studiums wird die Konzentrationskonstante, ausgedrückt in Gleichgewichtskonzentrationen, oft als reale Konstante bezeichnet, und die Konzentrationskonstante, ausgedrückt in Gesamtkonzentrationen, wird bedingte Konstante genannt.

Der Gleichgewichtszustand ist durch eine reelle (Konzentrations-)Konstante gekennzeichnet

wenn die Abweichungen von der Idealität nur auf elektrostatische Wechselwirkungen A, B, C und D mit Fremdionen zurückzuführen sind.

Die Aktivität und die Gleichgewichtskonzentration jedes Ions sind funktionell durch eine einfache Beziehung miteinander verbunden. Zum Beispiel für Ion A

ein EIN = γ EIN [EIN]

Verhältnismäßigkeitsfaktor γ , Aktivitätskoeffizient genannt, charakterisiert den Grad der Abweichung des Systems vom Ideal aufgrund der elektrostatischen Wechselwirkungen der an der untersuchten Reaktion beteiligten Ionen mit fremden (oder eigenen, wenn ihre Konzentration hoch ist) Ionen. In einem idealen System ein A = [A] und der Aktivitätskoeffizient ist gleich eins. Das bedeutet, dass es keine elektrostatischen Wechselwirkungen gibt.

Der Wert des Aktivitätskoeffizienten hängt von der Ladung und Ionenstärke ab, die von allen Ionen in der Lösung erzeugt werden:

Hier ICH- Ionenstärke; [ich] die Gleichgewichtskonzentration des Ions ist; z ich- seine Ladung.

Die Aktivitätskoeffizienten einzelner Ionen lassen sich theoretisch mit den Debye-Hückel-Formeln abschätzen

Wenn ein ich< 0.01 (1-3)

Wenn ein ich< 0.1 (1-4)

Hier SONDERN und BEIM - Konstanten in Abhängigkeit von der Temperatur und der Dielektrizitätskonstante des Lösungsmittels (für Wasser bei 20°С A = 0,5 und B = 0.3); a - Abstand der maximalen Annäherung von Ionen; diese Werte werden normalerweise in Referenztabellen angegeben. Da sich Schwankungen in den Werten von a nicht allzu sehr auf das Endergebnis auswirken, empfiehlt es sich, einen konstanten Wert zu nehmen ein = 3 A. Daher

Der Aktivitätskoeffizient eines einzelnen Ions kann nicht experimentell gemessen werden, da es unmöglich ist, eine Lösung zu erhalten, die nur positive oder nur negative Ionen enthält.

Für den Elektrolyten A m B n lässt sich experimentell nur der mittlere Aktivitätskoeffizient bestimmen, der mit den Aktivitätskoeffizienten der einzelnen Ionen γ A und γ B über die Beziehungen in Beziehung steht:

für binären Elektrolyten AB

für Elektrolyttyp Am B n

Der mittlere Aktivitätskoeffizient kann auch theoretisch mit den Debye-Hückel-Formeln berechnet werden

Wenn ein ich< 0.01

Wenn ein ich< 0.1

Hier a, a und b haben daher die gleichen Bedeutungen wie in den Formeln (1-3) und (1-4).

Bei niedrigen Ionenstärken (I< 0.1) величины средних коэффициентов активности, рассчитанные по формулам Дебая - Хюккеля и найденные экспериментально, удовлетворительно совпадают. Это говорит о правомочности использования в этих условиях формул (1-3) - (1-4) для расчета величин γ ± и активности электролитов. Эти же формулы используются и для расчета коэффициентов активности индивидуальных ионов, хотя правильность таких расчетов нельзя проверить экспериментально.

Zur genaueren Berechnung der Aktivitätskoeffizienten wird vorgeschlagen, zusätzliche Terme in die Debye-Hückel-Formeln einzuführen. Beispielsweise ermöglicht die Davis-Gleichung die Berechnung der Aktivitätskoeffizienten von Elektrolyten und einzelnen Ionen für Ionenstärken von 0,2 - 0,5 mit einem Fehler von nicht mehr als 10 %. Die Davis-Gleichung für den Aktivitätskoeffizienten eines einzelnen Ions hat die Form:

und für den mittleren Aktivitätskoeffizienten des Elektrolyten A m B n:

Die Werte der Aktivitätskoeffizienten einzelner Ionen bei unterschiedlichen Ionenstärken und die mittleren Aktivitätskoeffizienten für Elektrolytlösungen unterschiedlicher Konzentration, berechnet nach den Debye-Hückel-Formeln, sind in Nachschlagewerken angegeben.

Wenn man die Aktivitätskoeffizienten kennt, kann man die Aktivität eines Ions oder Elektrolyten in einer Lösung abschätzen. Um die Berechnungen zu erleichtern, können die folgenden Annahmen verwendet werden:

1. Die Aktivitätskoeffizienten von Ionen gleicher Ladung sind unabhängig vom Radius der Ionen ungefähr gleich. Daher geben Nachschlagewerke manchmal Mittelwerte der Aktivitätskoeffizienten für ein-, zwei-, drei- und vierfach geladene Ionen an.

2. Die Aktivitätskoeffizienten neutraler Teilchen in verdünnten Elektrolytlösungen werden mit eins angenommen.

3. Ideal sind stark verdünnte Elektrolytlösungen, zB eine gesättigte Lösung eines schwerlöslichen Elektrolyten.

Bei der Berechnung komplexer Gleichgewichte werden die Aktivitätskoeffizienten häufig gleich Eins genommen. Diese Annahme ist aus mehreren Gründen gerechtfertigt. Erstens können sich die mit den Debye-Hückel-Formeln gefundenen Werte der Aktivitätskoeffizienten in diesen Fällen als sehr weit von den wahren herausstellen. Zweitens ist der Einfluss chemischer Faktoren auf das Gleichgewicht viel größer als der elektrostatischer Kräfte, sodass die Vernachlässigung letzterer bei der Berechnung komplexer Gleichgewichte keinen merklichen Fehler in die Ergebnisse einführt.