4. Ķīmiskais līdzsvars

Lielākā daļa no visām reakcijām ir apgriezeniskas. Tas nozīmē, ka no reakcijas produktiem var veidoties izejvielas.

Aplūkosim apgriezeniskas reakcijas vispārīgo shēmu!

 

 

Izpētīsim apgriezenisku reakciju no ķīmiskā ātruma viedokļa! Tiešajā reakcijā rodas savienojums AB, bet pretreakcijā šis savienojums sadalās par vielām A un B. Abas šīs reakcijas notiek vienlaicīgi. Sākotnēji tiešās reakcijas ātrums $v_t$ ir lielāks par pretreakcijas ātrumu $v_p$, bet ar laiku pretreakcijas ātrums $v_p$ palielinās un kļūst lielāks par tiešās reakcijas ātrumu $v_t$. Noteiktā laika momentā abu reakciju ātrums kļūst vienāds $v_t$=$v_p$. Šādu sistēmas stāvokli, kad tiešo un pretreakciju ātrums ir vienāds, sauc par ķīmisko līdzsvaru.

Līdzsvara stāvoklī reaģējošo vielu un reakcijas produktu koncentrācijas nemainās, jo gan tiešā, gan pretreakcija notiek vienādi ātri.

 

 

 

No praktiskā viedokļa ir ļoti būtiski zināt gan katras reaģējošās vielas koncentrāciju līdzsvara stāvoklī, gan arī to, kā, mainot ārējos apstākļus, mainīsies līdzsvara stāvoklis. Piemēram, ķīmisko vielu ražošanā ir izdevīgi izmantot tādas reakcijas, kurās līdzsvara stāvoklī reakciju produktu koncentrācija ir liela, bet izejvielu - maza. Savukārt, ja reakcijas rezultātā rodas kaitīgas vielas, tad ir svarīgi zināt, kā jāmaina apkārtējie apstākļi, lai līdzsvara stāvoklī reakcijas produktu koncentrācija būtu pēc iespējas mazāka.

Tā kā līdzsvara stāvoklī abu reakciju ātrumi ir vienādi $v_t$=$v_p$, tad var rakstīt:

Konstanšu attiecība $\frac{k_t}{k_p}$ arī ir konstants lielums, un to sauc par ķīmiskās reakcijas līdzsvara konstanti.

 

Ķīmiskā līdzsvara konstante ir atkarīga no reaģējošo vielu dabas un temperatūras, bet nav atkarīga no vielu koncentrācijas un katalizatora klātbūtnes.

Ja sistēmā līdzsvara stāvoklī nemainīgā temperatūrā maina kādas vielas (izejvielas vai produkta) koncentrāciju, mainās arī pārējo vielu koncentrācija, bet līdzsvara konstantes skaitliskā vērtība nemainās. Tas nozīmē, ka nevar patvaļīgi izmainīt tikai vienas vielas koncentrāciju - mainīsies arī visas pārējās.

Lai gan katalizators ietekmē gan tiešās, gan pretreakcijas ātrumu, tomēr tas var izmainīt tikai līdzsvara iestāšanās brīdi.

 

Līdzsvara konstantei ir liela praktiska nozīme. Pēc tās skaitliskās vērtības var spriest par reakcijas norisi. Ja līdzsvara konstante $K_{lī\mathit{dzsvara}}>1$, tad līdzsvara stāvoklī reakcijas produkta koncentrācija ir lielāka nekā izejvielu koncentrācija. Tas nozīmē, ka līdzsvars tiek vērsts tiešās reakcijas virzienā. Ja līdzsvara konstante $K_{lī\mathit{dzsvara}}<1$, tad izejvielu koncentrācija pārsniedz reakcijas produktu koncentrāciju. Tas nozīmē, ka līdzsvars tiek vērsts pretreakcijas virzienā.

 

Nemainoties ārējiem apstākļiem, ķīmiskais līdzsvars var pastāvēt neierobežoti ilgi. Tiešās reakcijas ātrums $v_t$ un pretreakcijas ātrums $v_p$ ir atkarīgs no reaģējošo vielu koncentrācijas c, temperatūras t un spiediena p (gāzveida vielām). Mainot kādu no trim ārējiem apstākļiem, ķīmiskais līdzsvars tiek izjaukts, jo kļūst nevienādi tiešās un pretreakcijas ātrumi $v_t\ne v_p$. Reaģējošo vielu maisījums cenšas sasniegt jaunu līdzsvara stāvokli $v_t=v_p$, kurā ir citas vielu līdzsvara koncentrācijas, bet neizmainās ķīmiskā līdzsvara konstantes vērtība $K_{lī\mathit{dzsvara}}$.

 

Līdzsvara nobīdes atkarību no apstākļiem nosaka Lešateljē princips, kas apgalvo, ka līdzsvarā esoša reakcija vienmēr darbosies pretī ārējo apstākļu maiņai.

 

 

Ja līdzsvarā esošu vielu maisījuma temperatūra un spiediens nemainās, tad līdzsvaru var ietekmēt, pievadot vai aizvadot kādu no maisījumā esošajām vielām. Palielinot kādas vielas koncentrāciju, līdzsvars pārvietosies tās reakcijas virzienā, kurā šī viela ir izejviela. Palielinot izejvielu koncentrāciju, ķīmiskais līdzsvars pārvietojas produktu rašanās virzienā.

 

 

Paaugstinot temperatūru, ķīmiskais līdzsvars pārvietojas endotermiskās reakcijas virzienā. Temperatūru pazeminot, ķīmiskais līdzsvars pārvietojas eksotermiskās reakcijas virzienā. Eksotermiskā reakcijā temperatūras paaugstināšana izraisa reakcijas produkta daudzuma samazināšanos, endotermiskai - palielināšanos.

 

 

Palielinot spiedienu, ķīmiskais līdzsvars pārvietojas tās reakcijas virzienā, kurā vielu tilpumi samazinās. Spiediens ietekmē ķīmisko līdzsvaru tikai tad, ja gāzveida vielu molekulu skaits pirms un pēc reakcijas nav vienāds.

Lešateljē princips ir noderīgs, lai kvalitatīvi novērtētu reakcijas līdzsvara izmaiņas virzienu. Kvantitatīviem aprēķiniem nepieciešama līdzsvara konstantes skaitliskā vērtība.