k1 и k2 для данной реакции при одной и той же температуре являются величинами постоянными, а значит, их отношение постоянно: Kc – величина постоянная и называется константой равновесия. Для реакций между газообразными веществами вместо концентраций можно использовать парциальные давления газов в смеси. При этом константу равновесия обозначают через Kp. Если концентрации выражены в мольных долях, то константа равновесия обозначается через KN. Между Kc, Kp и KN существуют следующие зависимости:

где ∑n – алгебраическая сумма стехиометрических коэффициентов. Константа равновесия зависит от температуры и природы реагирующих веществ, но не зависит от катализатора, так как последний ускоряет и прямую, и обратную реакции.

Уравнение (3) вытекает из закона действующих масс для обратимых реакций. Его можно сформулировать так: Отношение произведения равновесных концентраций в степени их стехиометрических коэффициентов есть величина, постоянная при данной температуре.

Смещение равновесия в зависимости от изменения концентраций реагирующих веществ, температуры, давления (в случае газовых реакций) в общем случае определяется правилом Ле-Шателье: если в системе, находившейся в равновесии, изменить одно из условий (t, p, c), то происходит смещение равновесия в направлении той реакции, которая препятствует произведённому изменению.

Применяя принцип Ле-Шателье к разным случаям, можно сделать следующие выводы:

1) при увеличении равновесной концентрации одного из веществ система химического равновесия смещается в сторону той реакции, которая понижает концентрацию этого вещества;

2) при увеличении давления равновесие смещается в сторону образования меньшего числа молекул газа;

3) нагревание смещает равновесие в сторону эндотермической реакции, охлаждение – в сторону экзотермической реакции.

Практическая часть

Скорость химических реакций в гомогенной системе изучается на примере взаимодействия растворов серной кислоты и серноватистокислого натрия (тиосульфата):

Na2S2O3 + H2SO4 → Na2SO4 + S↓ + SO2↑ + H2O

Сера, выделяющаяся в тонкораздробленном состоянии, даёт помутнение раствора. Момент исчезновения из поля зрения линеек или шрифта на бумаге, подложенной под стакан с реагирующим веществом, соответствует выделению определённого количества серы. Так как степень помутнения зависит от толщины слоя, то все опыты следует проводить в одном и том же стакане, чтобы объём жидкости и соответственно высота слоя были одинаковы.

Время, необходимое для выделения данного количества серы обратно пропорционально средней скорости процесса. Началом реакции считаем момент смешения растворов, условным концом реакции – выделение одного и того же количества серы.

Опыт 1. Зависимость скорости реакции от температуры

В ходе опыта смешали 20 мл раствора 0,5%-ного раствора серной кислоты и 20 мл 0,5%-ного раствора серноватистокислого натрия, предварительно измерив температуру растворов. Стаканчик со смесью был поставлен на лист линованной бумаги. В результате реакции: Na2S2O3 + H2SO4 → Na2SO4 + S↓ + SO2↑ + H2O наблюдалось помутнение смеси. Был отмечен отрезок времени до условного окончания процесса.

Затем опыт был проделан ещё два раза, но температура растворов была поднята на 10˚C и 20˚C относительно первоначальной. Результаты измерений занесены в таблицу 1.

Табл. 1.

По данным таблицы можно рассчитать температурный коэффициент Вант-Гоффа для данных реакций:

;

Вывод: Температурный коэффициент Вант-Гоффа для реакции разложения пероксида водорода равен 3,25.

Опыт 2. Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ при постоянной температуре

В один стаканчик налили 10 мл 0,5%-ного раствора серной кислоты. В другой налили 10 мл раствора серноватистокислого натрия и 20 мл дистиллированной воды. К раствору кислоты одновременно прилили воду и раствор соли и отметили по часам продолжительность опыта. Далее опыт был повторен с изменением концентрации соли: 20 мл раствора на 10 мл воды, 30 мл раствора соли.

Результаты измерений занесены в таблицу 2.

Табл. 2.

По данным измерений можно определить порядок реакции n по скоростям, соответствующим двум различным концентрациям (метод Вант-Гоффа).

В результате вычислений получилось:

n1 = 1,1375; n2 = 0,8797; nср = 1,008 ≈ 1.

Вывод: порядок реакции n по скоростям, соответствующим двум концентрациям близок к 1.

Опыт 3. Скорость химических реакций в гетерогенных системах

В две пробирки налили соляную кислоту. Затем в одну из них положили кусочек мрамора, а в другую – такой же кусочек, растёртый в порошок. В обеих пробирках проходила реакция:

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2↑.

Наблюдалось выделение газа. В пробирке, в которую был насыпан порошок, реакция проходила быстрее. Это объясняется тем, что площадь поверхности, на которой происходило взаимодействие веществ, была больше, чем в пробирке с цельным кусочком мрамора.