Закон действующих масс. Вывод константы равновесия для гомогенной реакции

Многие химические реакции, в зависимости от условий, могут термодинамически протекать самопроизвольно как в прямом так и в обратном направлении. Состав равновесной реакционной смеси характеризуется тем, что концентрации исходных веществ и конечных продуктов находятся по отношению друг к другу в определённом динамическом равновесии.

Основным законом кинетики является закон действующих масс, открытый в 1867 г. К.Гульбергом и П.Вааге: Скорость односторонней химической реакции прямопропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ, взятых в степенях, соответствующих стехиометрическим коэффициентам. Частная формулировка закона была дана Н. Н. Бекетовым в 1865 г. при изучении давления водорода на скорость вытеснения им металлов из их солей.

Химические реакции подразделяются на гомогенные и гетерогенные.

Гомогенными называются реакции, протекающие в одной фазе: в смеси газов, в жидком или иногда в твёрдом растворе.

Например:

CO _(г) + Н₂O _(г) Û CO_{2 (г)} + H_{2 (г)},

CH₃COOH _(ж) + C₂H₅OH _(ж) Û CH₃COOC₂H_{5 (ж)} + H₂O _(ж) .

Гетерогенными называются реакции, протекающие на границе раздела двух фаз: твёрдое тело – жидкость, твёрдое тело – газ, твёрдое тело – твёрдое тело, жидкость – жидкость.

Например:

CaO _(т) + CO_{2 (г)} Û CaCO_{3 (г)},

C _(т) + O_{2 (г)} Û CO_{2 (г)}.

Рассмотрим обратимую гомогенную реакцию:

aA + bB Û dD + eE,

протекающую между веществами в изобарно-изотермических условиях (Р = const и Т = const).

Согласно закону действия масс скорости прямой (V₁) и обратной (V₂) реакции определяются уравнениями:

V₁ = k₁ C^a_A C^b_B,

V₂ = k₂ C^d_D C^e_E,

где k₁ и k₂ – константы скорости прямой и обратной реакций; C_A, C_B, C_D, C_Е – равновесные концентрации участников реакции; a, b, e, d – стехиометрические коэффициенты; A, B, E, D – участники реакции.

В состоянии равновесия скорости прямой и обратной реакций одинаковы:

V₁ = V₂.

Имея равенство левых частей уравнения, приравниваем их правые части:

k₁ C^a_A C^b_B = k₂ C^d_D C^e_E.

Разносим в разные стороны константы скорости реакций и равновесные концентрации и получаем:

.

Количественной характеристикой химического равновесия служит величина, называемая константой химического равновесия. Константа химического равновесия показывает во сколько раз скорость прямой реакции больше скорости обратной реакции:

К_равн = .

Уравнение константы равновесия показывает, что в условиях равновесия концентрации всех участников реакции связаны между собой. Изменение концентрации любого из них вызывает изменение концентраций всех остальных; в результате устанавливаются другие концентрации, но константа равновесия данной химической реакции остаётся величиной неизменной.

Таким образом константа равновесия – это постоянная величина, равная отношению произведений равновесных концентраций конечных и исходных участников реакции, взятых в степенях, соответствующих стехиометрическим коэффициентам.