Принцип подвижного химического равновесия (Ле-Шателье)

Многие производственные процессы являются обратимыми. На константу равновесия не влияет изменение концентрации реагентов и продуктов реакции. Однако если непрерывно выводить образующиеся вещества из реакционной смеси (удаление выделяющихся газов, образующихся осадков малорастворимых веществ), то система все время будет находиться в неравновесном состоянии, в ней будет происходить образование все новых и новых количеств продуктов.

Выход продуктов реакции можно повысить и путем изменения температуры, давления или концентрации исходных веществ.

а) Влияние температуры.

Повышение температуры вызывает смещение равновесия в том направлении, в котором обратимая химическая реакция идет с поглощением тепла (т.е., чтобы уменьшить внешнее воздействие).

N_2(г) + 3Н_2(г) 2NH_3(г) + 91 кДж

Это экзотермическая реакция проходит с выделением тепла.

При Р=20 мПа и Т=300°С выход NH₃ равен 64%

Т=600°С ‑ 8%

Повышение температуры смещает равновесие в сторону образования азота и водорода (в сторону эндотермической реакции).

На некоторых металлургических предприятиях при повышении температуры окружающего воздуха из труб появляется бурый газ. Это так называемый «лисий хвост». Это явление связано со смещением реакции

2NO₂ D N₂O₄ + Q.

NO₂ – бурого цвета, а N₂O₄ – бесцветный.

При повышении температуры равновесие смещается влево (т.к. реакция экзотермическая +Q), и из трубы идет бурый газ. Если температура понижается, то равновесие смещается вправо и газ N₂O₄ бесцветный.

В трех колбах находится газ NO₂ бурого цвета

К одной колбе подставили горячую воду, повысили температуру. Равновесие сместилось влево, бурый цвет усилился. В колбе, которая охладилась, газ обесцветился. Равновесие сместилось вправо.

2NO₂ D N₂O₄ + Q

б) Влияние давления (только для процессов, происходящих в газовой фазе).

Согласно принципу Ле-Шателье повышение давления смещает равновесие в направлении реакции, которая связана с уменьшением давления. Для процесса синтеза аммиака при постоянной температуре Т=300°С и

Р=20 мПа выход NH₃ составляет 64%

Р=100 мПа ‑ 92%, т.к. в результате прохождения прямой реакции уменьшается объем системы (было 1моль азота+3 моль водорода = 4 моль газов, а стало 2 моль аммиака), а, следовательно, уменьшается и давление.

Увеличение давления в этом случае смещает равновесие в сторону меньшего числа моль газообразных веществ.

Чем меньше изменение объема системы в обратимой реакции, тем меньше влияние давления на сдвиг равновесия.

Для реакции Н_2(г) + I_2(г) D 2HI_(г) изменение объема системы в процессе реакции равно нулю, поэтому ни увеличение, ни уменьшение давления не смещает это равновесие.

Влияние инертного газа (не участвующего в реакции). При введении в равновесную систему, находящуюся при постоянном внешнем давлении, инертного газа все парциальные давления уменьшаются и действие его равнозначно уменьшению давления.

в) Влияние концентрации.

Введение в равновесную систему дополнительных количеств какого-либо компонента вызывает смещение равновесия в том направлении, при котором концентрация введенного компонента будет уменьшаться.

Увеличением концентрации одного из исходных веществ пользуются для увеличения выхода продукта: SO₂ + O₂ SO₃ при производстве серной кислоты увеличивают концентрацию кислорода (как наиболее дешевого компонента – воздух). Иногда для увеличения выхода стремятся удалять продукты процесса из реакционной зоны.

СН₃ОН + СН₃СООН СН₃СООСН₃ + Н₂О. Вводят серную кислоту для связывания воды (удаление, уменьшение концентрации продукта).