БНБ "БРОКГАУЗ И ЕФРОН" (121188) - Photogallery - Естественные науки - Математика - Технология
|
Химические равновесияОпределение "Химические равновесия" в словаре Брокгауза и ЕфронаХимические равновесия — Явления химического равновесия охватывают область неполных превращений, т. е. таких случаев, когда химическое превращение материальной системы совершается не до конца, но прекращается после того, как изменению подвергнется часть вещества. В подобных случаях конечным результатом химической реакции является не исчезновение взятых тел и образование новых (одного или нескольких), ранее в системе не заключавшихся, а достижение такого состояния системы, при котором одновременно и совместно существуют и исходные, и образовавшиеся при реакции тела, не испытывая уже дальнейшего превращения. При определенных условиях, такое состояние устанавливается тогда, когда между количествами исходных и полученных тел будет достигнуто определенное отношение, когда будет, как говорят, достигнут предел, и раз этот предел будет достигнут, система способна существовать, не изменяясь, бесконечное время, хотя и будет заключать в себе тела, способные при другом количественном отношении испытывать превращение. Таким образом, в таких системах тела, способные испытывать превращения, остаются без изменения в состоянии равновесия. Общей причиной существования такого равновесия является то обстоятельство, что при одних и тех условиях температуры и давления, химическое превращение может совершаться в двух противоположных направлениях, другими словами, оно обратимо. Система А превращается в систему В, но при этих же условиях и система В превращается в систему А. Очевидно, что ни одно и ни другое превращение не могут совершиться сполна, но должна получиться система, заключающая и А, и B, должно установиться некоторое среднее положение, при котором тела А и В будут находиться в равновесии. Характерным свойством такого химического равновесия будет то, что оно является равновесием устойчивым, так как всякое отклонение от состояния равновесия непременно вызовет в системе реакцию, которая приведет систему к прежнему состоянию равновесия. Оно также будет подвижным равновесием, так как изменение условий равновесия вызовет в системе такие превращения, которые приведут систему к новому состоянию равновесия, тоже устойчивого. Общие законы и характер химических равновесий изложены в статьях Правило фаз и Обратимость химических реакций (см.), здесь же мы познакомимся с количественной стороной вопроса и с приложением термодинамики для решения вопроса о том, как изменяется химическое превращение под влиянием различных условий. При всех химических превращениях состояние равновесия обуславливается тремя величинами: количествами действующих тел, или их массами, температурой и давлением. Самый характер равновесия может быть, в зависимости от числа действующих тел и от числа фаз, троякого рода: или возможно только одно состояние равновесия при совершенно определенных температуре и давлении, или равновесие возможно при различных температурах, причем при каждой температуре возможно только одно состояние равновесия, или, наконец, при каждой температуре существует бесчисленное множество состояний равновесия. Какое из этих трех равновесий приложимо в каждом данном случае — это определяется правилом фаз. Наша задача заключается в том, чтобы определить, как будет изменяться состояние равновесия, т. е. предел реакции, в зависимости от изменения трех переменных: массы действующих тел, температуры и давления. 1) Влияние массы. Ясное и точное представление о влиянии массы на X. равновесие впервые было введено Гульдбергом и Вааге в их знаменитом мемуаре: "Исследование сил X. сродства". В этом сочинении они высказали закон масс, по которому X. действие пропорционально произведению действующих масс. Их идеи вполне подтвердились последующими исследованиями, и в настоящее время их теория является общепринятой, отличаясь только терминологией, так как Гульдберг и Вааге пользовались термином сила сродства, который в настоящее время оставлен. Чтобы показать, в чем заключается их теория, приводим их подлинные слова, заметив только, что под термином действующая масса они подразумевали "количества тела, которые находятся в 1 куб. см целого объема".
"Предположим, что через двойное замещение два тела А и В превращаются в два новые тела A' и В' и что при тех же условиях A' и В' могут превратиться в А и В. Тогда ни образование А' и В', ни обратное образование А и B не будут полными; в конце реакции всегда будем иметь четыре тела A, В, Α ' Β ', и сила, вызывающая образование А' и В', будет уравновешена силою, вызывающей образование А и В". "Мы думаем, что изучение этой идеальной реакции, при которой рассматриваются только силы между А и В и между А' и В', даст читателям ясную и точную идею нашей теории".
"Пусть действующие массы тел А' и В' равны p' и q', и коэффициент сродства для реакции
Определяя действующие массы p, q, p' и q' из опытов, можно найти отношение между коэффициентами сродства k и k'. С другой стороны, найдя это отношение, можно наперед вычислить результат реакции для любого начального состояния четырех тел". Приведенная выдержка показывает, как определяется на основании закона действия массы состояние равновесия для частного случая — превращения
Задача, следовательно, заключается в том, чтобы найти условие, при котором система, заключающая все четыре тела, будет находиться в состоянии равновесия. Для решения этой задачи предположим, что в двух пространствах, А и B, удерживаемых при постоянной температуре, находятся эти четыре тела, причем концентрации этих тел, а также и количества, после того как установилось равновесие, различны. Обозначим для А концентрацию этих тел символами С Cl2, С H2O, cO2 и CHCl, и для В — символами с Cl2, с H2O, cO2 и cHCl. Совершим превращение над количествами, отвечающими формулам 2Cl 2 + 2Н 2 О, при помощи кругового процесса. Осуществлено это может быть след. образом.
В цилиндре С мы имеем поршень D и перепонку ab, которая проницаема только для хлора. С помощью поршня D и полупроницаемой перепонки ab мы можем ввести в пространство А желаемое количество хлора. Подобным же образом затем мы введем и водяной пар, тогда как кислород и хлористый водород выведем из этого пространства, пользуясь цилиндром E поршнем F и соответственными полупроницаемыми перепонками. Если газы имеют ту же концентрацию, что и в A, то в А ничего не изменится, если произойдет образование кислорода и хлористого водорода, которые затем будут уведены. Теперь выведенные газы О 2 и НCl при той же температуре обратимым процессом будем сжимать или расширять до тех пор, пока не получим такой концентрации, которая имеет место в В, тогда, по предыдущему, произведем обратное превращение и, наконец, полученные продукты приведем к концентрациям, отвечающим А. Так как этот замкнутый цикл совершился при постоянной температуре, то сумма всех работ равна нулю. Следовательно:
и так как концентрации обратно пропорциональны объему, то
Проверка закона действия масс опытным путем возможна двумя способами: статическим и динамическим. Первый способ заключается в том, что изменяют действующие массы тел и, пользуясь выведенным уравнением, вычисляют, как должен измениться предел реакции. При втором способе определяют количество превращенного вещества до наступления равновесия через определенное время после начала реакции и из полученных данных определяют константу, которая выразится как функция концентрации и времени и которая должна сохранять постоянную величину через различные промежутки времени. Чтобы показать, как применяются эти способы, приведем два примера. Известно, что йодистый водород при нагревании разлагается на водород и йод:
превращение это не идет до конца, так как йод и водород обратно соединяются и дают йодистый водород. Таким образом здесь наступает химическое равновесие, причем в системе одновременно существуют все три тела. Предел этого превращения при постоянной температуре должен зависеть от действующих масс или концентраций этих тел. Применяя к этому случаю общее уравнение равновесия, получим:
Обозначим через 1 начальное количество водорода (в молекулах), через α начальное количество йода; вследствие реакции образуется 2 γ молекул йодистого водорода. Следовательно, когда наступит равновесие, система будет заключать 2 γ молекул HJ, 1 — γ молекул водорода и α — γ молекул йода. Подставляя эти величины в наше уравнение, получим:
где
Последние два столбца в этой таблице показывают, что опыт и вычисление приводят к согласным результатам, и подтверждают справедливость уравнения равновесия. В качестве второго примера мы возьмем действие едкого натра на монохлоруксусно-кислый натрий: C2H2ClO2Na + NaOH = C2H3O3Na + NaCl.
Реакция эта совершается при 100°С в водном растворе в продолжение 24 часов, и хотя при этих условиях она не обратима и не приводит к X. равновесию, но для нашей цели интересна в том отношении, что показывает справедливость основного закона, что скорость реакции пропорциональна произведению действующих масс; самый опыт производится таким образом, что через определенные промежутки времени определяется титр жидкости, причем между концентрацией действующих масс и титром жидкости существует простое соотношение:
— dC/dt = kC1C2 = kC2
Не останавливаясь на других примерах и доказательствах закона действия массы, укажем только, что строгое применение его к вычислению возможно только в тех случаях, где реакция не нарушается никакими осложняющими явлениями, вот почему наиболее благоприятными случаями для проверки этого закона являются газы и разбавленные растворы, в которых изменение среды вследствие реакции настолько ничтожно, что им можно пренебречь. В тех случаях, где изменение среды достигает значительных размеров, в уравнение равновесия и скорости нужно вводить добавочные члены, что в большинстве случаев представляет большую трудность, а часто даже и невозможно.
Рассмотренные нами до сих пор случаи относились к X. равновесию в однородной среде, т. е. когда имеется только одна фаза. Но этот же закон имеет место и по отношению в равновесию в неоднородной среде, т. е. когда в реакции участвуют две или более фаз. В этом случае условия достижения равновесной системы более ограничены, так как существование ее требует не только того, чтобы в каждой фазе тела находились в равновесии, но и чтобы фазы между собой находились в равновесии. Поэтому при данных условиях температуры и давления из всех возможных для каждой фазы состояний равновесия одновременно могут существовать только некоторые. Правила и законы, сюда относящиеся, формулируются так называемым правилом фаз (см.). Применение закона действия масс во многих частных случаях значительно облегчается. Таковы, напр., случаи диссоциации твердого тела, когда продукты диссоциации являются телами газообразными. Применение закона действия массы в этих случаях крайне просто, потому что действующая масса твердого тела есть величина постоянная. Это положение вытекает из того соображения, что X. взаимодействие совершается только на поверхности твердого тела, а так как оно должно зависеть от концентраций действующих тел — а концентрация твердого тела остается неизменной — то на состояние равновесия может влиять только изменение концентрации газообразных тел. Поэтому основное уравнение равновесия:
т. е. произведение парциальных давлений, показатели степеней которых равны числу частиц, участвующих в реакции, — величина постоянная. Так, если диссоциация сопровождается образованием одного продукта диссоциации, то условие равновесия будет такое: p = Const., т. е. упругость диссоциации есть величина постоянная, такой случай мы имеем при диссоциации углекислого кальция СаСО 3, при диссоциации кристаллогидратов и т. п. В случае, если продуктов диссоциации несколько, то условие равновесия будет заключаться в постоянстве произведения парциальных давлений, возведенных в соответственные степени; таковы, напр., случаи разложения NH 4 SH и CO(NH 2)ONH4, изученные Горстманом. Диссоциация первого тела происходит по уравнению:
CO(NH2)ONH2 = CO2 + 2NH3 Перейдем теперь к рассмотрению вопроса о том, как изменяется состояние равновесия при изменении температуры и давления. Как известно, в этом отношении мы имеем общий закон Ле-Шателье — Вант-Гоффа, согласно которому при изменении температуры и давления в системе развиваются процессы, сопротивляющиеся этим изменениям, т. е. при повышении температуры предел перемещается в том направлении, при котором происходит поглощение теплоты, а при увеличении давления в системе совершаются процессы, сопровождаемые сжатием, и наоборот. Не останавливаясь на качественной проверке этого закона (см. Правило фаз, обратимость химических реакций), мы здесь рассмотрим только количественную сторону.
2) Влияние температуры. В общем уравнении равновесия: Это превращение сопровождается крайне незначительным тепловым эффектом, и в связи с этим оказывается, что температура почти не влияет на него: при 10°С предел реакции наступает, когда превращению подвергнутся 65,2% смеси кислоты и спирта, а при 220° этот предел = 66,5%.
Для некоторых частных случаев влияние температуры на изменение равновесия может быть выведено при помощи уравнения Клапейрона. Рассмотрим, напр., диссоциацию кристаллогидрата Na 2HPO4.12H2 О. Возьмем уравнение Клапейрона:
Числа, в скобках, послужили для вычисления постоянных уравнений. Заметим еще, что это же уравнение может служить для вычисления q, так как А= q/4,6 откуда для q найдем 12817 кал., число вполне подтверждается непосредственными калориметрическими опытами. Таким образом, термодинамика дает возможность не только находить зависимость между упругостью диссоциации и температурой, но и позволяет вычислить, на основании упругости диссоциации, теплоту превращения.
3) Влияние давления. Влияние давления на изменения X. равновесия может быть выведено на основании того простого соотношения, которое существует между концентрацией и объемом. Не приводя самого вывода, заметим только, что оно дает возможность точно так же предвидеть не только качественно, но и количественно перемещение равновесия под влиянием давления. При этом, так же как и при изменении температуры, как следствие из общего уравнения, мы получим положение, что на реакции, не сопровождаемые изменением объема, давление не оказывает никакого влияния, что вполне подтверждается непосредственными наблюдениями. Чтобы показать применение формул термодинамики, разберем один частный случай, а именно, изменение температуры перехода ромбической серы в одноклиномерную. При обыкновенном давлении точка перехода лежит при 95,6°, давление должно изменять температуру перехода, и для вычисления этого изменения может служить формула Клаузиуса:
В заключение настоящей статьи укажем, что общая теория X. равновесий может быть выведена на основании начал термодинамики, причем в уравнение, определяющее состояние системы, войдут: абсолютная температура T, давление Р, внутренняя энергия U, объем V и энтропия S. Зависимость между этими величинами дается уравнением:
Статья про "Химические равновесия" в словаре Брокгауза и Ефрона была прочитана 1890 раз |
TOP 15
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||