Tarkastellaan yleismuotoista palautuvaa kemiallista reaktiota, jossa kaikki aineet ovat samassa aggregaatiotilassa, esimerkiksi nesteenä:

aA + bB D cC + d D,

jossa A ja B ovat suoran reaktion lähtöaineita; C ja D ovat suoria reaktiotuotteita; a, b, c ja d- stoikiometriset kertoimet.

Alkuhetkellä, jolloin aineiden A ja B pitoisuus on suurin, suoran reaktion nopeus on myös suurin ja on massan vaikutuksen lain mukaan yhtä suuri kuin

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

jossa k 1 on suoran reaktion nopeusvakio.

Ajan myötä aineiden A ja B pitoisuus pienenee, ja sen seurauksena myös suoran reaktion nopeus pienenee.

Alkuhetkellä aineiden C ja D pitoisuus on nolla, ja näin ollen käänteisreaktion nopeus on nolla, ajan myötä aineiden C ja D pitoisuus kasvaa ja näin ollen käänteisen reaktion nopeus myös kasvaa ja se on yhtä suuri kuin

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

jossa k 2 on käänteisen reaktion nopeusvakio.

Tasapainon saavuttaessa pitoisuudet saavat tasapainoarvon ja nopeudet ovat keskenään yhtä suuret u pr \u003d u arr, joten

k 1 C A a C B c = k 2 C C c C D d (6.3)

Siirretään nopeusvakiot yhteen suuntaan ja pitoisuudet toiseen:

Kahden vakion suhde on vakio, ja sitä kutsutaan kemiallisen tasapainon vakioksi:

Tasapainovakio näyttää kuinka monta kertaa eteenpäin suuntautuvan reaktion nopeus on suurempi tai pienempi kuin käänteisen reaktion nopeus.

Tasapainovakio on reaktiotuotteiden tasapainokonsentraatioiden tulon stoikiometristen kertoimien potenssilla ja lähtöaineiden tasapainopitoisuuksien tulon suhde niiden stoikiometristen kertoimien potenssilla.

Tasapainovakion arvo riippuu reagoivien aineiden luonteesta ja lämpötilasta, eikä se riipu pitoisuudesta tasapainohetkellä, koska niiden suhde on aina vakioarvo, numeerisesti yhtä suuri kuin tasapainovakio. Jos liuoksessa olevien aineiden välillä tapahtuu homogeeninen reaktio, niin tasapainovakio merkitään K C:lla ja jos kaasujen välillä, niin K P.

missä Р С, Р D , Р А ja Р В ovat reaktion osallistujien tasapainopaineet.

Käyttämällä yhtälöä Clapeyron-Mendelejev, voit määrittää K P:n ja K C:n välisen suhteen

Siirrä äänenvoimakkuutta oikealle puolelle

p = RT, eli p = CRT (6,9)

Korvaamme yhtälön (6.9) kaavalla (6.7) jokaiselle reagenssille ja yksinkertaistamme

missä Dn on muutos reaktioon osallistuvien kaasumaisten moolien lukumäärässä

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

Siten,

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

Yhtälöstä (6.12) voidaan nähdä, että K P = K C, jos reaktiossa olevien kaasumaisten osallistujien moolimäärä ei muutu (Dn = 0) tai systeemissä ei ole kaasuja.

On huomattava, että heterogeenisen prosessin tapauksessa kiinteän tai nestefaasin pitoisuutta järjestelmässä ei oteta huomioon.

Esimerkiksi muotoa 2A + 3B \u003d C + 4D olevan reaktion tasapainovakio edellyttäen, että kaikki aineet ovat kaasuja ja niiden muoto

ja jos D on kiinteä, niin

Tasapainovakiolla on suuri teoreettinen ja käytännön merkitys. Tasapainovakion numeerinen arvo mahdollistaa kemiallisen reaktion käytännön mahdollisuuden ja syvyyden arvioimisen.

Jos K > 1, sitten tämä reaktio etenee merkittävällä saannolla reaktiotuotteita; jos K > 104, niin reaktio on irreversiibeli; jos K< 1, то такая реакция нетехнологична; если K < 10 -4 , то такая реакция невозможна.

Tasapainovakion tuntemalla voidaan määrittää reaktioseoksen koostumus tasapainohetkellä ja laskea reaktiotuotteiden saantovakio. Tasapainovakio voidaan määrittää kokeellisilla menetelmillä, analysoimalla reaktioseoksen kvantitatiivista koostumusta tasapainohetkellä tai soveltamalla teoreettisia laskelmia. Monissa reaktioissa normaaleissa olosuhteissa tasapainovakio on taulukkoarvo.

6.3. Kemialliseen tasapainoon vaikuttavat tekijät. Le Chatelierin periaate

Järjestelmään kohdistuvan ulkoisen vaikutuksen alaisena kemiallinen tasapaino siirtyy, eli lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden tasapainopitoisuudet muuttuvat. Jos ulkoisen vaikutuksen seurauksena reaktiotuotteiden tasapainopitoisuudet kasvavat, puhutaan tasapainon siirtymisestä oikealle (suoran reaktion suuntaan). Jos ulkoisen vaikutuksen seurauksena lähtöaineiden tasapainopitoisuudet kasvavat, puhutaan tasapainon siirtymisestä vasemmalle (käänteisen reaktion suuntaan).

Eri tekijöiden vaikutus kemiallisen tasapainon muutokseen heijastuu Le Chatelierin periaate (1884): jos stabiilissa kemiallisessa tasapainossa olevaan järjestelmään vaikutetaan ulkopuolelta muuttamalla lämpötilaa, painetta tai pitoisuutta, niin kemiallinen tasapaino siirtyy suuntaan, jossa syntyneen vaikutuksen vaikutus vähenee.

On huomattava, että katalyytti ei siirrä kemiallista tasapainoa, vaan vain nopeuttaa sen alkamista.

Harkitse kunkin tekijän vaikutusta yleisen reaktion kemiallisen tasapainon siirtymiseen:

aA + bB = cC + d D±Q.

Keskittymismuutoksen vaikutus. Le Chatelier -periaatteen mukaan kemiallisen tasapainoreaktion yhden komponentin pitoisuuden kasvu johtaa tasapainon siirtymiseen kohti reaktion lisääntymistä, jossa tämän komponentin kemiallinen käsittely tapahtuu. Sitä vastoin yhden komponentin pitoisuuden lasku johtaa tasapainon siirtymiseen kohti tämän komponentin muodostumista.

Siten aineen A tai B pitoisuuden kasvu siirtää tasapainoa eteenpäin; aineen C tai D pitoisuuden kasvu siirtää tasapainoa vastakkaiseen suuntaan; A:n tai B:n pitoisuuden lasku siirtää tasapainoa vastakkaiseen suuntaan; aineen C tai D pitoisuuden lasku siirtää tasapainoa eteenpäin. (Kaavamaisesti voit kirjoittaa: -C A tai C B ®; -C C tai C D ¬; ¯ C A tai C B ¬; ¯ C C tai CD ®).

Lämpötilan vaikutus. Yleisellä säännöllä, joka määrittää lämpötilan vaikutuksen tasapainoon, on seuraava muotoilu: lämpötilan nousu edistää tasapainon siirtymistä kohti endotermistä reaktiota (-Q); lämpötilan alentaminen edistää tasapainon siirtymistä kohti eksotermistä reaktiota (+ Q).

Ilman lämpövaikutuksia etenevät reaktiot eivät siirrä kemiallista tasapainoa lämpötilan muutoksen myötä. Lämpötilan nousu johtaa tässä tapauksessa vain nopeampaan tasapainon muodostumiseen, mikä saavutettaisiin tietyssä järjestelmässä myös ilman lämmitystä, mutta pidemmän ajan kuluessa.

Siten eksotermisessä reaktiossa (+ Q) lämpötilan nousu johtaa tasapainon siirtymiseen päinvastaiseen suuntaan ja päinvastoin endotermisessä reaktiossa (-Q) lämpötilan nousu johtaa siirtymiseen eteenpäin. suuntaan ja lämpötilan lasku vastakkaiseen suuntaan. (Kaavamaisesti voit kirjoittaa: +Q -T ¬; ¯T ®; -Q -T ®; ¯T ¬).

Paineen vaikutus. Kuten kokemus osoittaa, paineella on huomattava vaikutus vain niiden tasapainoreaktioiden siirtymiseen, joissa kaasumaiset aineet osallistuvat, ja tässä tapauksessa reaktion kaasumaisten osallistujien moolimäärän muutos (Dn) ei ole yhtä suuri kuin nolla. Paineen noustessa tasapaino siirtyy kohti reaktiota, johon liittyy kaasumaisten aineiden pienempien moolimäärien muodostuminen, ja paineen laskussa - kohti suuremman määrän kaasumaisten aineiden moolien muodostumista.

Siten, jos Dn = 0, niin paine ei vaikuta kemiallisen tasapainon siirtymiseen; jos Dn< 0, то увеличение давления смещает равновесие в прямом направлении, уменьшение давления в сторону обратной реакции; если Dn >0, silloin paineen nousu siirtää tasapainoa vastakkaiseen suuntaan ja paineen lasku - suoran reaktion suuntaan. (Kaavamaisesti se voidaan kirjoittaa: kun Dn = 0 P ei vaikuta; kun Dn 0 -P ¬, ¯P ®). Le Chatelier'n periaate soveltuu sekä homogeenisiin että heterogeenisiin järjestelmiin ja antaa laadullisen ominaisuuden tasapainosiirtymälle.

Kvantitatiivista ominaisuutta, joka osoittaa reaktion suunnan ja aineiden pitoisuuden siirtymän, kutsutaan kemiallisen reaktion tasapainovakioksi. Tasapainovakio riippuu lämpötilasta ja reagoivien aineiden luonteesta.

Palautuvat ja peruuttamattomat reaktiot

Kaikki reaktiot voidaan jakaa kahteen tyyppiin:

• käännettävä, joka virtaa samanaikaisesti kahteen vastakkaiseen suuntaan;
• peruuttamaton virtaa samaan suuntaan ainakin yhden alkuaineen kokonaiskulutuksen kanssa.

Peruuttamattomissa reaktioissa liukenemattomia aineita muodostuu yleensä sakan tai kaasun muodossa. Näitä reaktioita ovat:

• palaminen:

  C2H5OH + 302 → 2CO2 + H20;

• hajoaminen:

  2KMnO4 → K2Mn04 + Mn02 + H20;

• yhteys sakan tai kaasun muodostumiseen:

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

Riisi. 1. BaS04:n saostus.

Palautuvat reaktiot ovat mahdollisia vain tietyissä vakioolosuhteissa. Alkuperäiset aineet antavat uuden aineen, joka hajoaa välittömästi ainesosiin ja kerätään uudelleen. Esimerkiksi reaktion seurauksena 2NO + O 2 ↔ 2NO 2 typpioksidi (IV) hajoaa helposti typpioksidiksi (II) ja hapeksi.

Tasapaino

Tietyn ajan kuluttua palautuvan reaktion nopeus hidastuu. Saavutetaan kemiallinen tasapaino - tila, jossa lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden pitoisuudessa ei tapahdu muutosta ajan kuluessa, koska eteenpäin- ja käänteisreaktioiden nopeudet tasaavat. Tasapaino on mahdollista vain homogeenisissa systeemeissä, eli kaikki reagoivat aineet ovat joko nesteitä tai kaasuja.

Tarkastellaan kemiallista tasapainoa esimerkissä vedyn ja jodin vuorovaikutuksen reaktiosta:

• suora reaktio -

  H2+12↔2HI;

• takareaktio -

  2HI ↔ H 2 + I 2 .

Heti kun kaksi reagenssia on sekoitettu - vety ja jodi - vetyjodia ei vielä ole olemassa, koska yksinkertaiset aineet reagoivat vain. Suuri määrä lähtöaineita reagoi aktiivisesti keskenään, joten suoran reaktion nopeus on suurin. Tässä tapauksessa käänteinen reaktio ei etene, ja sen nopeus on nolla.

Suoran reaktion nopeus voidaan ilmaista graafisesti:

ν pr = k pr ∙ ∙ ,

missä k pr on suoran reaktion nopeusvakio.

Ajan myötä reagenssit kuluvat, niiden pitoisuus laskee. Vastaavasti eteenpäin suuntautuvan reaktion nopeus pienenee. Samaan aikaan uuden aineen, jodidin, pitoisuus kasvaa. Kertyessään se alkaa hajota ja käänteisen reaktion nopeus kasvaa. Se voidaan ilmaista näin

ν arr = k arr ∙ 2 .

Jodidivety on neliö, koska molekyylin kerroin on kaksi.

Jossain vaiheessa eteenpäin- ja taaksepäinreaktioiden nopeudet tasoittuvat. On olemassa kemiallinen tasapainotila.

Riisi. 2. Kuvaaja reaktionopeudesta ajan funktiona.

Tasapainoa voidaan siirtää joko kohti lähtöaineita tai kohti reaktiotuotteita. Ulkoisten tekijöiden vaikutuksesta tapahtuvaa siirtymää kutsutaan Le Chatelier'n periaatteeksi. Tasapainoon vaikuttaa lämpötila, paine, jonkin aineen pitoisuus.

Jatkuva laskelma

Tasapainotilassa molemmat reaktiot etenevät, mutta samaan aikaan aineiden pitoisuudet ovat tasapainossa (tasapainopitoisuudet muodostuvat), koska nopeudet ovat tasapainossa (ν pr \u003d ν arr).

Kemiallista tasapainoa kuvaa kemiallinen tasapainovakio, joka ilmaistaan ​​yhteenvetokaavalla:

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

Reaktionopeusvakiot voidaan ilmaista reaktionopeussuhteena. Otetaan käänteisen reaktion ehdollinen yhtälö:

aA + bB ↔ cC + dD.

Sitten eteenpäin- ja taaksepäinreaktioiden nopeudet ovat yhtä suuret:

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

Vastaavasti jos

ν pr \u003d ν arr,

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

Tästä voimme ilmaista vakioiden suhteen:

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

Tämä suhde on yhtä suuri kuin tasapainovakio:

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

Riisi. 3. Tasapainovakion kaava.

Arvo osoittaa, kuinka monta kertaa eteenpäin suunnatun reaktion nopeus on suurempi kuin käänteisen reaktion nopeus.

Mitä olemme oppineet?

Lopputuotteista riippuen reaktiot luokitellaan palautuviin ja irreversiibeliin. Palautuvat reaktiot etenevät molempiin suuntiin: lähtöaineista muodostuu lopputuotteita, jotka hajoavat lähtöaineiksi. Reaktion aikana eteenpäin ja taaksepäin tapahtuvien reaktioiden nopeudet ovat tasapainossa. Tätä tilaa kutsutaan kemialliseksi tasapainoksi. Se voidaan ilmaista reaktiotuotteiden tasapainokonsentraatioiden tulon suhteena lähtöaineiden tasapainokonsentraatioiden tuloon.

Aihekilpailu

Raportin arviointi

Keskiarvoluokitus: 4.8 Saatujen arvioiden kokonaismäärä: 193.

Vuonna 1885 ranskalainen fyysikko ja kemisti Le Chatelier päätteli ja vuonna 1887 saksalainen fyysikko Braun perusti kemiallisen tasapainon lakia ja kemiallisen tasapainon vakiota sekä tutkittiin niiden riippuvuutta erilaisten ulkoisten tekijöiden vaikutuksesta.

Kemiallisen tasapainon ydin

Tasapaino on tila, joka tarkoittaa, että asiat ovat aina liikkeessä. Tuotteet hajotetaan reagensseiksi ja reagenssit yhdistetään tuotteiksi. Asiat liikkuvat, mutta keskittymiset pysyvät samoina. Reaktio kirjoitetaan kaksoisnuolella yhtäläisyysmerkin sijaan osoittamaan, että se on palautuva.

Klassisia kuvioita

Viime vuosisadalla kemistit löysivät tiettyjä malleja, jotka antavat mahdollisuuden muuttaa reaktion suuntaa samassa astiassa. Kemiallisten reaktioiden toiminnan tunteminen on uskomattoman tärkeää sekä laboratoriotutkimukselle että teolliselle tuotannolle. Samalla kyky hallita kaikkia näitä ilmiöitä on erittäin tärkeä. Ihmisen luonteeseen kuuluu puuttua moniin luonnollisiin prosesseihin, erityisesti palautuviin, käyttääkseen niitä myöhemmin omaksi hyödykseen. Kemiallisten reaktioiden tuntemuksesta on enemmän hyötyä, jos hallitset niitä sujuvasti.

Kemistit käyttävät kemian massatoiminnan lakia laskeakseen oikein reaktionopeudet. Se antaa selkeän käsityksen siitä, että mikään ei valmistu, jos se tapahtuu suljetussa järjestelmässä. Syntyvien aineiden molekyylit ovat jatkuvassa ja satunnaisessa liikkeessä ja pian voi tapahtua käänteinen reaktio, jossa lähtöaineen molekyylit palautuvat.

Teollisuudessa käytetään useimmiten avoimia järjestelmiä. Astiat, laitteet ja muut säiliöt, joissa kemiallisia reaktioita tapahtuu, jäävät lukitsemattomiksi. Tämä on välttämätöntä, jotta näiden prosessien aikana voidaan uuttaa haluttu tuote ja päästä eroon hyödyttömistä reaktiotuotteista. Esimerkiksi kivihiiltä poltetaan avouuneissa, sementtiä valmistetaan avouuneissa, masuunit toimivat jatkuvalla ilmansyötöllä ja ammoniakkia syntetisoidaan poistamalla jatkuvasti itse ammoniakkia.

Reversiibelit ja irreversiibelit kemialliset reaktiot

Nimen perusteella voidaan antaa sopivat määritelmät: irreversiibelit reaktiot ovat sellaisia, jotka päättyvät, eivät muuta suuntaaan ja etenevät tiettyä liikerataa pitkin riippumatta paineen laskusta ja lämpötilan vaihteluista. Niiden erottuva piirre on, että jotkut tuotteet voivat poistua reaktiopallosta. Siten on mahdollista saada esimerkiksi kaasua (CaCO 3 \u003d CaO + CO 2), sakka (Cu (NO 3) 2 + H 2 S \u003d CuS + 2HNO 3) tai muita, myös katsotaan peruuttamattomiksi, jos Prosessin aikana vapautuu suuri määrä lämpöenergiaa, esimerkiksi: 4P + 5O 2 \u003d 2P 2 O 5 + Q.

Lähes kaikki luonnossa tapahtuvat reaktiot ovat palautuvia. Huolimatta sellaisista ulkoisista olosuhteista, kuten paine ja lämpötila, lähes kaikki prosessit voivat edetä samanaikaisesti eri suuntiin. Kuten kemian massatoiminnan laki sanoo, absorboituneen lämmön määrä on yhtä suuri kuin vapautuva määrä, mikä tarkoittaa, että jos yksi reaktio oli eksoterminen, niin toinen (käänteinen) on endoterminen.

Kemiallinen tasapaino: kemiallinen tasapainovakio

Reaktiot ovat kemian "verbejä" - toimintoja, joita kemistit tutkivat. Monet reaktiot menevät loppuun ja sitten pysähtyvät, mikä tarkoittaa, että reagoivat aineet muuttuvat kokonaan tuotteiksi, ilman että ne pystyvät palaamaan alkuperäiseen tilaansa. Joissain tapauksissa reaktio on todellakin peruuttamaton, esimerkiksi kun palaminen muuttuu sekä fyysisesti että kemiallisesti.On kuitenkin monia muita olosuhteita, joissa se ei ole vain mahdollista, vaan myös jatkuvaa, koska ensimmäisen reaktion tuotteista tulee reagoivia aineita. toinen.

Dynaamista tilaa, jossa lähtöaineiden ja tuotteiden pitoisuudet pysyvät vakiona, kutsutaan tasapainoksi. On mahdollista ennustaa aineiden käyttäytymistä tiettyjen lakien avulla, joita sovelletaan teollisuudessa, joka pyrkii alentamaan tiettyjen kemikaalien tuotantokustannuksia. Kemiallisen tasapainon käsite on hyödyllinen myös ihmisten terveyttä ylläpitävien tai mahdollisesti uhkaavien prosessien ymmärtämisessä. Kemiallinen tasapainovakio on reaktiotekijän arvo, joka riippuu ionivahvuudesta ja lämpötilasta ja on riippumaton reaktanttien ja tuotteiden pitoisuuksista liuoksessa.

Tasapainovakion laskenta

Tämä arvo on dimensioton, eli sillä ei ole tiettyä määrää yksiköitä. Vaikka laskenta kirjoitetaan yleensä kahdelle lähtöaineelle ja kahdelle tuotteelle, se toimii mille tahansa määrälle reaktion osallistujia. Tasapainovakion laskenta ja tulkinta riippuu siitä, liittyykö kemiallinen reaktio homogeeniseen vai heterogeeniseen tasapainoon. Tämä tarkoittaa, että kaikki reagoivat komponentit voivat olla puhtaita nesteitä tai kaasuja. Heterogeenisen tasapainon saavuttavissa reaktioissa ei yleensä ole yhtä faasia, vaan vähintään kaksi. Esimerkiksi nesteet ja kaasut tai ja nesteet.

Tasapainovakion arvo

Tietylle lämpötilalle on olemassa vain yksi tasapainovakion arvo, joka muuttuu vain, jos lämpötila, jossa reaktio tapahtuu, muuttuu suuntaan tai toiseen. Joitakin ennusteita kemiallisesta reaktiosta voidaan tehdä sen perusteella, onko tasapainovakio suuri vai pieni. Jos arvo on erittäin suuri, tasapaino suosii reaktiota oikealle ja saadaan enemmän tuotteita kuin lähtöaineita oli. Reaktiota voidaan tässä tapauksessa kutsua "totaaliseksi" tai "kvantitatiiviseksi".

Jos tasapainovakion arvo on pieni, niin se suosii reaktiota vasemmalle, jossa reagoivien aineiden määrä oli suurempi kuin muodostuneet tuotteet. Jos tämä arvo pyrkii nollaan, voimme olettaa, että reaktiota ei tapahdu. Jos tasapainovakion arvot myötä- ja käänteisreaktioissa ovat lähes samat, myös reagoivien aineiden ja tuotteiden määrä on melkein sama. Tämän tyyppisen reaktion katsotaan olevan palautuva.

Harkitse tiettyä palautuvaa reaktiota

Otetaan kaksi sellaista kemiallista alkuainetta, kuten jodi ja vety, jotka sekoitettuna muodostavat uuden aineen - vetyjodidin.

V 1:lle otamme suoran reaktion nopeuden, v 2:lle - käänteisen reaktion nopeuden, k - tasapainovakion. Käyttämällä massatoiminnan lakia saamme seuraavan lausekkeen:

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

v2 = k2*c2 (HI).

Kun sekoitetaan jodi (I 2) ja vety (H 2) molekyylejä, niiden vuorovaikutus alkaa. Alkuvaiheessa näiden alkuaineiden pitoisuus on suurin, mutta reaktion lopussa uuden yhdisteen, vetyjodidin (HI), pitoisuus on maksimi. Vastaavasti myös reaktionopeudet ovat erilaisia. Heti alussa ne ovat maksimissaan. Ajan myötä tulee hetki, jolloin nämä arvot ovat samat, ja tämä on tila, jota kutsutaan kemialliseksi tasapainoksi.

Kemiallisen tasapainovakion ilmaisu merkitään pääsääntöisesti hakasulkeilla: , , . Koska tasapainotilassa nopeudet ovat yhtä suuret, niin:

k 1 \u003d k 2 2,

niin saamme kemiallisen tasapainovakion yhtälön:

k 1 /k 2 = 2 / = K.

Le Chatelier-Brown -periaate

On olemassa seuraava säännönmukaisuus: jos tasapainossa olevaan järjestelmään tehdään tietty vaikutus (muuta kemiallisen tasapainon olosuhteita esimerkiksi muuttamalla lämpötilaa tai painetta), tasapaino siirtyy tasapainottaakseen osittain järjestelmän vaikutusta. muuttaa. Tämä periaate pätee kemian lisäksi hieman eri muodoissa myös farmakologian ja taloustieteen aloilla.

Kemiallinen tasapainovakio ja sen ilmaisutavat

Tasapainoilmaisu voidaan ilmaista tuotteiden ja reagoivien aineiden pitoisuuksina. Vain vesi- ja kaasufaasissa olevat kemikaalit sisältyvät tasapainokaavaan, koska nesteiden ja kiinteiden aineiden pitoisuudet eivät muutu. Mitkä tekijät vaikuttavat kemialliseen tasapainoon? Jos siinä on puhdasta nestettä tai kiinteää ainetta, sen katsotaan olevan K \u003d 1, ja sen vuoksi sitä ei enää oteta huomioon, lukuun ottamatta erittäin väkeviä liuoksia. Esimerkiksi puhtaan veden aktiivisuus on 1.

Toinen esimerkki on kiinteä hiili, joka voidaan muodostaa kahden hiilimonoksidimolekyylin reaktiolla hiilidioksidin ja hiilen muodostamiseksi. Tasapainoon vaikuttavia tekijöitä ovat reagoivan aineen tai tuotteen lisääminen (pitoisuuden muutokset vaikuttavat tasapainoon). Reagenssin lisääminen voi saada tasapainon oikealle kemiallisessa yhtälössä, jossa tuotetta esiintyy enemmän. Tuotteen lisääminen voi tuoda tasapainon vasemmalle, kun lisää reagoivia muotoja tulee saataville.

Tasapaino syntyy, kun molempiin suuntiin etenevässä reaktiossa on vakio tuotteiden ja lähtöaineiden suhde. Yleensä kemiallinen tasapaino on staattinen, koska tuotteiden ja lähtöaineiden määrällinen suhde on vakio. Tarkempi tarkastelu paljastaa kuitenkin, että tasapaino on itse asiassa erittäin dynaaminen prosessi, koska reaktio liikkuu molempiin suuntiin samalla nopeudella.

Dynaaminen tasapaino on esimerkki vakaan tilan funktiosta. Vakaassa tilassa olevan järjestelmän osalta tällä hetkellä havaittu käyttäytyminen jatkuu tulevaisuudessa. Siksi, kun reaktio saavuttaa tasapainon, tuotteen suhde lähtöainepitoisuuksiin pysyy samana, vaikka reaktio jatkuu.

Kuinka helppoa on puhua monimutkaisista asioista?

Käsitteet, kuten kemiallinen tasapaino ja kemiallinen tasapainovakio, ovat melko vaikeita ymmärtää. Otetaan esimerkki elämästä. Oletko koskaan ollut jumissa kahden kaupungin välisellä sillalla ja huomannut, että liikenne toiseen suuntaan on tasaista ja mitoitettua samalla kun olet toivottomasti jumissa liikenteessä? Tämä ei ole hyvä.

Entä jos autot olisivat mitattuja ja liikkuvat samalla nopeudella molemmilla puolilla? Pysyykö autojen määrä molemmissa kaupungeissa vakiona? Kun sisään- ja poistumisnopeus molempiin kaupunkeihin on sama ja autojen määrä kussakin kaupungissa on vakaa ajan myötä, tämä tarkoittaa, että koko prosessi on dynaamisessa tasapainossa.

vakio (lat. constans, suku n. konstantis - vakio, muuttumaton), - sellainen objekti tietyssä teoriassa, jonka arvoa tämän teorian (tai joskus suppeamman tarkastelun) puitteissa pidetään aina samana. K. vastustavat sellaisia ​​objekteja, joiden arvot muuttuvat (itsensä tai riippuen muiden objektien arvojen muutoksesta). K.:n läsnäolo monien ilmaisussa. luonnonlait ja yhteiskunta heijastelee suhteita. todellisuuden tiettyjen aspektien muuttumattomuus, joka ilmenee kuvioiden läsnäolossa. Tärkeä K.:n lajike on K., joka liittyy fyysisten lajien määrään. suureet, kuten pituus, aika, voima, massa (esimerkiksi elektronin lepomassa), tai monimutkaisempia suureita, jotka ilmaistaan ​​numeerisesti näiden K:n tai niiden tehojen suhteina, kuten tilavuus, nopeus, työ, jne. .P. (esim. painovoiman kiihtyvyys maan pinnalla). Ne K. tämäntyyppisiä, to-ruis pidetään nykyaikaisena. fysiikka (omien teorioidensa puitteissa), joka on merkityksellinen koko universumin havaittavalle osalle, ns. maailma (tai universaali) K.; Esimerkkejä sellaisista kvanteista ovat valon nopeus tyhjiössä, Planckin kvanttivakio (eli ns. toiminnan kvantin arvo), gravitaatiovakio ja muut. 20. vuosisata Samaan aikaan jotkut ulkomaiset tiedemiehet (englannin fyysikko ja tähtitieteilijä A. Eddington, saksalainen fyysikko Heisenberg, itävaltalainen fyysikko A. March jne.) yrittivät antaa heille idealistisuutta. tulkinta. Eddington näki siis k-maailman järjestelmässä yhden omavaraisuuden ilmentymistä. ihanteellisen matematiikan olemassaolo muodot, jotka ilmaisevat luonnon ja sen lakien harmoniaa. Itse asiassa universaalit K. eivät heijasta kuvitteellista omavaraisuutta. oleminen (asioiden ja kognition ulkopuolella) osoitetuissa muodoissa ja (yleensä matemaattisesti ilmaistuna) objektiivisen todellisuuden perussäännöt, erityisesti aineen rakenteeseen liittyvät säännönmukaisuudet. syvä dialektiikka. maailman kvanttimekaniikan merkitys paljastuu siinä, että osa niistä (Planckin kvanttivakio, valon nopeus tyhjiössä) on eräänlainen asteikko, joka rajaa eri prosessiluokat, jotka etenevät pohjimmiltaan eri tavoin; samaan aikaan tällaiset K. osoittavat tietyn läsnäolon. yhteyksiä näiden luokkien ilmiöiden välillä. Joten, yhteys klassisen lakien välillä. ja relativistinen mekaniikka (katso Suhteellisuusteoria) voidaan määrittää ottamalla huomioon tällainen rajoittava relativistisen mekaniikan liikeyhtälöiden siirtymä klassisen liikeyhtälöihin. mekaniikka, joka liittyy idealisointiin, joka koostuu valonnopeuden tyhjiössä olevan ajatuksen hylkäämisestä äärellisenä K:na. ja ymmärtämään valon nopeuden äärettömän suurena; toisella idealisoinnilla, joka koostuu toiminnan kvantin pitämisestä äärettömän pienenä suurena, kvanttiteorian liikeyhtälöt siirtyvät klassisen liikeyhtälöiksi. mekaniikka jne. Näiden lisäksi tärkeimmät K., joka määräytyy puhtaasti fyysisesti ja esiintyy monien perusmuotojen koostumuksissa. luonnonlakeja käytetään laajalti samassa paikassa ja sellaiset puhtaasti matemaattisesti määriteltynä K. numerona 0; yksi; ? (kehän suhde halkaisijaan); e (luonnollisten logaritmien kanta); Eulerin vakio ym. Yhtä harvemmin käytettyjä ovat myös K., jotka ovat tunnettujen matematiikan tuloksia. Mutta mitä vaikeampaa on ilmaista usein käytettyä K.:ta yksinkertaisemmin määritellyn K:n (tai yksinkertaisemman K:n kuten 0 ja 1) ja tunnettujen operaatioiden kautta, sitä itsenäisempi on sen osallistuminen noita lakeja ja suhteita, to-rykhissä se tapahtuu, sitä useammin sille otetaan käyttöön erikois. laskea tai mitata se mahdollisimman tarkasti. Jotkut suureet esiintyvät satunnaisesti ja ovat K. vain tietyn ongelman tarkastelun puitteissa, ja ne voivat jopa riippua ongelman ehtojen (parametrien arvojen) valinnasta, muuttuen K:ksi vain näiden ehtojen yhteydessä. ovat kiinteät. Tällaisia ​​K.:ita merkitään usein kirjaimilla C tai K (liittämättä näitä nimityksiä lopullisesti samaan K.:iin) tai ne yksinkertaisesti kirjoittavat, että sellainen ja sellainen arvo \u003d const. A. Kuznetsov, I. Lyakhov. Moskova. Tapauksissa, joissa funktiot näyttelevät tarkasteltavien objektien roolia matematiikassa tai logiikassa, K.:ta kutsutaan sellaisiksi niistä, joiden arvo ei riipu näiden funktioiden argumenttien arvoista. Esimerkiksi K. on ero x–x x:n funktiona, koska muuttujan x kaikille (numeerisille) arvoille funktion x–x arvo on sama luku 0. kaikille argumentin A mahdollisille arvoille sillä on (tavallisen, klassisen logiikan algebran puitteissa) sama arvo 1 (jolle on tunnusomaista looginen arvo "tosi", joka on ehdollisesti tunnistettu sen kanssa). Esimerkki monimutkaisemmasta K.:sta logiikan algebrasta on funktio (AB? BA). Joissakin tapauksissa funktio, jonka arvo on vakio, tunnistetaan itse tällä arvolla. Tässä tapauksessa funktion arvo näkyy jo K:na (tarkemmin sanottuna funktiona, joka on K.). Tämän funktion argumentit voivat olla mitä tahansa valittuja kirjaimellisia muuttujia (esim. A, B, x, y jne.), koska joka tapauksessa, se ei ole heistä kiinni. Muissa tapauksissa tällaista funktion, joka on avain, tunnistamista ei tehdä sen arvolla, ts. erottaa tällaiset kaksi K.:ta, joista toisen argumenttien joukossa on muuttuja, jota toisella ei ole. Tämä mahdollistaa esimerkiksi funktion määrittämisen sen taulukoksi ja yksinkertaistaa myös kaaviota. tiettyjen toimintojen toimintojen määrittely. Tällaisten vakioiden, joiden arvot ovat numeroita (mahdollisesti nimettyjä) tai joita karakterisoidaan numeroilla, rinnalla on myös muita vakioita. Esimerkiksi joukkoteoriassa tärkeä vakio on luonnollinen sarja N; kaikkien kokonaislukujen joukko ei ole negatiivinen. numeroita. Funktion arvo, joka on K., voi myös olla minkä tahansa luonteinen kohde. Tarkasteltaessa esimerkiksi sellaisen muuttujan A funktioita, joiden arvot ovat luonnollisen sarjan osajoukkoja, voidaan määrittää yksi näistä funktioista, jonka arvo muuttujan A kaikille arvoille on kaikkien alkulukujen joukko. Fyysisen lisäksi tällaisten objektien roolissa olevat suureet ja funktiot, joista osa osoittautuu K:ksi, pitävät usein (etenkin logiikassa ja semantiikassa) merkkejä ja niiden yhdistelmiä: sanoja, lauseita, termejä, kaavoja jne. ja tarkoittavat niitä ne, joiden merkityksiä ei erikseen mainita, niiden semanttiset merkitykset (jos sellaisia ​​on). Samalla paljastuu uudet K. Eli aritmetiikassa. lauseke (termi) 2 + 3–2 K. eivät ole vain lukuja 2 ja 3 ja niiden operaatioiden tuloksia, vaan myös merkkejä + ja -, joiden arvot ovat yhteen- ja vähennysoperaatioita. Nämä merkit, koska K. teoreettisen sisällä tavallisen kouluaritmeettisen ja algebran huomioiminen lakkaa olemasta K. kun astumme laajemmalle modernin alueelle. algebra tai logiikka, jossa +-merkillä on joissakin tapauksissa tavallinen lukujen yhteenlaskutoiminto, toisissa tapauksissa (esimerkiksi logiikan algebrassa) - yhteenlasku modulo 2 tai Boolen yhteenlasku, toisissa tapauksissa - toinen operaatio . Kuitenkin suppeammilla tarkasteluilla (esim. tiettyä algebrallista tai loogista järjestelmää rakennettaessa) operaatioiden etumerkit ovat kiinteät ja näistä merkeistä, toisin kuin muuttujien etumerkeistä, tulee K. Loogisen valinta. K:lla on erityinen rooli, kun sitä sovelletaan luonnon esineisiin. Kieli. Loogisen roolissa K. venäjäksi. kieli sisältää esimerkiksi sellaiset liitot kuin "ja", "tai" jne., sellaiset kvantisointisanat kuin "kaikki", "kaikki", "olemassa", "jotkut" jne., sellaiset yhdistävät verbit, kuten " on", "olemus", "on" jne. sekä monimutkaisempia lauseita, kuten "jos ... sitten", "jos ja vain jos", "on vain yksi", "se, joka" , "sellainen", "vastaa sitä" jne. Korostamalla loogista. K. luonnossa. Kieli on niiden roolin samankaltaisuuden tunnustaminen valtavassa määrässä päätelmiä tai muita päätelmiä, mikä mahdollistaa näiden tapausten yhdistämisen yhdeksi tai toiseksi yhdeksi järjestelmäksi (looginen sääntö), jossa objektit, jotka eroavat toisistaan K. korvataan vastaavilla muuttujilla. Mitä pienempi määrä skeemoja onnistuu kattamaan kaikki tarkasteltavat päättelytapaukset, sitä yksinkertaisempia nämä skeemat itsessään ovat, ja mitä enemmän meillä on takeet mahdolliselta virheelliseen päättelyyn niissä, sitä perustellumpi on loogisten valinta. esiintyy näissä järjestelmissä. TO. A. Kuznetsov. Moskova. Lit.: Eddington?., Avaruus, aika ja painovoima, käänn. Englannista, O., 1923; Jeans, D., Universumi ympärillämme, käänn. englannista, L.–M., 1932; Syntynyt M., Salaperäinen numero 137, la: Uspekhi nat. Sciences, osa 16, no. 6, 1936; Heisenberg W., Philos. atomifysiikan ongelmat, M., 1953; hänen oma, Planck's Discovery ja DOS. filosofia atomiopin kysymyksiä, "Filosofian ongelmat", 1958, nro 11; hänen oma, Physics and Philosophy, M., 1963; la Taide. matematiikan mukaan. logiikka ja sen sovellukset tiettyihin kybernetiikan kysymyksiin, julkaisussa: Tr. matematiikka. in-ta, t. 51, M., 1958; Kuznetsov IV, Mikä Werner Heisenberg on oikein ja mikä väärin, "Filosofian ongelmat", 1958, nro 11; Uspensky V. ?., Luennot laskettavissa olevista funktioista, Moskova, 1960; Kay J. ja Laby T., Tables of nat. ja chem. pysyvä, per. englannista, 2. painos, M., 1962; Kurosh A. G., Lectures on General Algebra, M., 1962; Svidersky V.I., Elementtien ja rakenteen dialektiikasta objektiivisessa maailmassa ja kognitiossa, M., 1962, ch. 3; ?ddington A. St., New pathways in science, Camb., 1935; hänen oma, Protonien ja elektronien suhteellisuusteoria, L., 1936; hänen oma, Fysikaalisen tieteen filosofia, N. Y.–Camb., 1939; Louis de Broglie, physicien et penseur, P., ; maaliskuuta?, Die physikalische Erkenntnis und ihre Grenzen, 2 Aufl., Braunschweig, 1960.

pitoisuusvakio

Laskettaessa tasapainoja todellisissa järjestelmissä on tarpeen ottaa huomioon vieraiden aineiden läsnäolo ja niiden vaikutus tutkittavan reaktion lähtöaineiden ja tuotteiden käyttäytymiseen. Tämä vaikutus voidaan ilmaista sekä ionien sähköstaattisessa vuorovaikutuksessa että kemiallisessa vuorovaikutuksessa hieman dissosioituneiden tai huonosti liukenevien tuotteiden muodostumisen kanssa. Molemmissa tapauksissa havaitaan siirtymä tutkittavan reaktion tasapainossa. Konsentraatiovakio ilmaistaan ​​kokonaispitoisuuksina, ei lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden aktiivisuuksina. Siinä tapauksessa, että vieraat aineet eivät pääse kilpaileviin kemiallisiin reaktioihin, pitoisuusvakio voidaan ilmaista tasapainopitoisuuksina. Tutkimuksen helpottamiseksi tasapainopitoisuuksina ilmaistua konsentraatiovakiota kutsutaan usein todelliseksi vakioksi, ja kokonaispitoisuuksina ilmaistua pitoisuusvakiota kutsutaan ehdolliseksi vakioksi.

Tasapainotilalle on ominaista todellinen (pitoisuus)vakio

jos erot ideaalisuudesta johtuvat vain sähköstaattisista vuorovaikutuksista A, B, C ja D vieraiden ionien kanssa.

Minkä tahansa ionin aktiivisuus ja tasapainopitoisuus liittyvät toiminnallisesti toisiinsa yksinkertaisella suhteella. Esimerkiksi ionille A

a A = γ A [A]

Suhteellisuustekijä γ , jota kutsutaan aktiivisuuskertoimeksi, kuvaa järjestelmän poikkeamaastetta ihanteesta, joka johtuu tutkittavaan reaktioon osallistuvien ionien sähköstaattisista vuorovaikutuksista vieraiden (tai omien, jos niiden pitoisuus on korkea) ionien kanssa. Ihanteellisessa järjestelmässä a A = [A] ja aktiivisuuskerroin on yhtä suuri kuin yksi. Tämä tarkoittaa, että sähköstaattista vuorovaikutusta ei ole.

Aktiivisuuskertoimen arvo riippuu kaikkien liuoksessa olevien ionien luomasta varauksesta ja ionivoimakkuudesta:

Tässä minä- ionivahvuus; [i] on ionin tasapainopitoisuus; z i- sen lataus.

Yksittäisten ionien aktiivisuuskertoimet voidaan teoreettisesti arvioida käyttämällä Debye-Hückelin kaavoja

Jos minä< 0.01 (1-3)

Jos minä< 0.1 (1-4)

Tässä MUTTA ja AT - vakiot riippuen lämpötilasta ja liuottimen dielektrisyysvakiosta (vedelle, jonka lämpötila on 20 °C A = 0,5 ja B = 0.3); a - ionien enimmäislähestymisetäisyys; nämä arvot annetaan yleensä viitetaulukoissa. Koska a:n arvojen vaihtelut eivät vaikuta liikaa lopputulokseen, on suositeltavaa ottaa vakioarvo a = 3 A. Siksi

Yksittäisen ionin aktiivisuuskerrointa ei voida mitata kokeellisesti, koska on mahdotonta saada liuosta, joka sisältää vain positiivisia tai vain negatiivisia ioneja.

A m Bn elektrolyytille voidaan kokeellisesti määrittää vain keskimääräinen aktiivisuuskerroin, joka liittyy yksittäisten ionien γ A ja γ B aktiivisuuskertoimiin seuraavilla suhteilla:

binääriselle elektrolyytille AB

elektrolyyttityypille A m B n

Keskimääräinen aktiivisuuskerroin voidaan laskea myös teoreettisesti käyttämällä Debye-Hückelin kaavoja

Jos minä< 0.01

Jos minä< 0.1

Tässä a, a ja b on siis samat merkitykset kuin kaavoissa (1-3) ja (1-4).

Alhaisilla ionivahvuuksilla (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.

Aktiivisuuskertoimien tarkempaa laskemista varten ehdotetaan lisätermit Debye-Hückelin kaavoihin. Esimerkiksi Davis-yhtälö mahdollistaa elektrolyyttien ja yksittäisten ionien aktiivisuuskertoimien laskemisen ionivahvuuksille 0,2 - 0,5 virheellä, joka ei ylitä 10 %. Davis-yhtälö yksittäisen ionin aktiivisuuskertoimelle on muotoa:

ja elektrolyytin A m B n keskimääräiselle aktiivisuuskertoimelle:

Yksittäisten ionien aktiivisuuskertoimien arvot eri ionivahvuuksilla ja eri pitoisuuksien elektrolyyttiliuosten keskimääräiset aktiivisuuskertoimet, jotka on laskettu Debye-Hückelin kaavoilla, on annettu hakukirjoissa.

Aktiivisuuskertoimet tuntemalla voidaan arvioida ionin tai elektrolyytin aktiivisuus liuoksessa. Laskelmien helpottamiseksi voidaan käyttää seuraavia oletuksia:

1. Saman varauksen omaavien ionien aktiivisuuskertoimet ovat ionien säteestä riippumatta suunnilleen yhtä suuret. Siksi viitekirjat antavat joskus aktiivisuuskertoimien keskiarvoja yhden, kahden, kolmen ja neljän varautuneen ionin osalta.

2. Laimeiden elektrolyyttiliuosten neutraalien hiukkasten aktiivisuuskertoimien oletetaan olevan yhtä.

3. Erittäin laimeita elektrolyyttiliuoksia, kuten niukkaliukoisen elektrolyytin kylläistä liuosta, voidaan pitää ihanteellisena.

Usein kompleksisia tasapainoja laskettaessa aktiivisuuskertoimet otetaan yhtä suureksi kuin yksikkö. Tämä oletus on perusteltu useista syistä. Ensinnäkin Debye-Hückel-kaavojen avulla löydetyt aktiivisuuskertoimien arvot voivat näissä tapauksissa osoittautua hyvin kaukana todellisista. Toiseksi kemiallisten tekijöiden vaikutus tasapainoon on paljon suurempi kuin sähköstaattisten voimien vaikutus, joten jälkimmäisen huomiotta jättäminen kompleksisia tasapainoja laskettaessa ei aiheuta havaittavaa virhettä tuloksiin.