ХИМИЯЛЫҚ ТЕПЕ- ТЕҢДІККЕ ТЕМПЕРАТУРАНЫҢ, ҚЫСЫМНЫҢ ЖӘНЕ КОНЦЕНТРАЦИЯНЫҢ ӘСЕРІ

Химиялық тепе-теңдікке температураның, қысымның және концентрацияның әсері.

Көптеген реакциялар бір бағытта жүреді.

Мысалы,

2КСІО3 → 2КСІ + 3О2, 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2,

оларды қайтымсыз реакциялар деп атайды. Бірдей жағдайда қарама-қарсы екі бағытта жүретін реакцияларды қайтымды деп атайды.

N2 + 3H2 ↔ 2NH3, Fe3O4 + 4H2 ↔ 3Fe + 4H2O.

Солдан оңға қарай жазылған реакцияны тура, оңнан солға қарай жазылған реакцияны кері реакция деп атайды. Қайтымсыз реакция деп атау тек шартты түрде ғана. Химиялық реакция жүрген кезде алғашқы заттардың концентрациялары азаяды, олай болса, әрекеттесуші массалар заңы бойынша реакция жылдамдығы да азаяды. Егер реакция қайтымды болса, белгілі бір уақыт өткен соң кері реакцияның жылдамдығы арта бастайды, себебі реакция нәтижесінде пайда болған заттар концентрациялары артады.

Химиялық тепе-теңдік

Тура және кері реакциялар жылдамдықтары теңескенде химиялық тепе-теңдік орнайды, енді реакцияға қатысатын заттардың концентрациялары ары қарай өзгермейді. Егер жалпы теңдеуді былай жазса

онда тура реакция жылдамдығы

тепе-теңдік кезінде u→ = u ←, олай болса,

сонда, k→ /k ← = К т - реакцияның тепе-теңдік константасы болады.

k→ [A] a × [B] b = k ← [C] c × [▲] ▲

u→ = k→ [A] a × [B] b; u ← = k ← [C] c × [▲] ▲

аА + bВ ↔ сС + ▲▲,

Тепе-теңдік константасына кіретін концентрацияларды лары деп атайды. Сонымен, тепе-теңдік константасы сол температурада тұрақты шама, реакция нәтижесінде түзілген заттардың тепе-теңдік концентрациялары көбейтіндісінің реакцияға түскен заттардың тепе-теңдік концентрациялары көбейтіндісіне қатынасын көрсетеді:

К т = [C] c × [▲] ▲ /[A] a × [B] b

Тепе-теңдік константасы - реакцияның маңызды сипаттамасы, оның мәні көп болған сайын, реакция ↔тереңірек» жүреді, яғни реакция нәтижесінде түзілген заттардың шығымы жоғары болады. Гетерогенді реакциялар үшін тепе-теңдік константасы мәніне де қатты заттардың концентрациясы кірмейді, реакциялар жылдамдығы мәніне кірмеген сияқты. Химиялық тепе-теңдік кезінде реакциялар тоқтамайды, тек қарама-қарсы реакциялардың жылдамдықтары теңеседі, уақыт бірлігінде түзілген заттар молекулаларының саны реакцияға түскен заттар молекулалары санына тең болады.

Тепе-теңдік константасы

Химиялық тепе-теңдік динамикалық, жылжымалы болады. Химиялық тепе-теңдік кезінде жүйеде Гиббс энергиясы өзгермейді,

▲G = 0, ▲H = T▲S,

▲G° = - RT ln K, ▲G°298 (кДж) = - 5, 71 lg K298 не ▲G°298 (кДж) = - 19, 1Т;

lg K - тепе-теңдік константасы мен Гиббс энергиясы арасындағы қатынас.

Тепе-теңдік константасы реакцияласатын заттар табиғатына және температураға тәуелді, ал концентрацияларына тәуелді емес.

Эндотермиялық реакциялар үшін температураны көтерсе, тепе-теңдік константасы жоғарылайды, ал экзотермиялық реакцияларда - азаяды. Тепе-теңдік константасы (егер қысым онша жоғары болмаса) қысымға тәуелді емес. Тепе-теңдік константасының энтальпиялық және энтропиялық факторларға тәуелділігі оған реагенттер табиғаты әсер ететіндігін көрсетеді. Сонымен бірге, тепе-теңдік костантасы мәніне катализатор қатысы да әсер етпейді, ол тура және кері реакциялардың активтену энергияларын бірдей өзгертетіндіктен олардың жылдамдықтарын да бірдей өзгертеді.

Катализатор тек жүйенің тепе-теңдік жағдайына келуін тездетеді, бірақ реакция нәтижесінде түзілетін заттардың шығымына әсер етпейді

Әлсіз электролиттердің (электролиттік диссоциация) диссоциация константасы, комплекс иондардың тұрақсыздық константасы, судың иондық көбейтіндісі, ерігіштік көбейтіндісі - бұл шамалар қайтымды процестерді сипаттайтындықтан

тепе-теңдік константалары болады.

Ле Шателье принципі. Жағдайды өзгертпесе тепе-теңдікке келген жүйенің күйі сақталады. Сыртқы жағдайдың (реагенттер концентрацияларының, қысымның, температураның) өзгеруінің тепе-теңдікке әсерін Ле Шателье принципін (жылжымалы тепе-теңдік принципін) қолдану арқылы анықтауға болады: Химиялық тепе-теңдік күйге келіп тұрған жүйенің жағдайының біреуін өзгерту, тепе-теңдікті сол өзгертуге қарсы әрекет туғызатын реакция бағытына қарай ығыстырады:

Температура әсері. Температура көтерілгенде тепе-теңдік эндотермиялық реакция бағытына қарай, ал температура төмендегенде экзотермиялық реакция бағытына қарай ығысады (Вант-Гофф заңы - Ле Шателье принципінің жеке бір түрі )

2СО + О2 ↔ 2СО2, ▲Н < 0;

N2O4 ↔ 2NO2, ▲H > 0 .

Температура әсері.

Экзотермиялық реакциялардың температурасын жоғарылат-қанда қосымша жылу жинақталады, сондықтан да мұндай реак-циялар оңнан солға қарай жүреді. Мұндай реакциядағы тепе-теңдікті, кері, яғни солдан оңға қарай бағыттау үшін бөлінген жылуды әрдайым бөліп әкету керек. Егер системаға жылу берілсе, онда реакциялық қоспаның температурасы жоғарылайды. Мұндайда реакция эндотермиялық болады және химиялық тепе-теңдік солдан оңға қарай ығысады.

Қысымның әсері. Тепе-теңдікте тұрған жүйенің сыртқы қысымын көбейткенде тепе-теңдік жүйедегі молекулалардың жалпы саны азаятын реакцияның бағытына қарай, яғни жүйенің ішкі қысымы кемитін жаққа қарай ығысады. Керісінше, сыртқы қысымды кеміткенде тепе-теңдік жүйедегі молекулалардың жалпы саны көбейетін бағытына қарай, яғни ішкі қысымның өсуі жағына қарай ығысады.

Мысалы,

N2 + 3H2 ↔ 2NH3

тепе-теңдіктің сол жағында 4 молекула, оң жағында 2 молекула, сонда сыртқы қысым артқанда тепе-теңдік оң жаққа, аммиак түзілетін жаққа ығысады. Тепе-теңдіктің екі жағындағы молекулалар саны бірдей болса, N2+O2↔2NO,

онда қысымды өзгерту тепе-теңдікке әсер етпейді.

Қысымның әсері.

Концентрацияның әсері. Реакцияға түсетін заттардың концентрацияларын арттырса, тепе-теңдік сол концентрациялардың азаятын жағына, яғни реакция өнімі түзілетін жаққа ығысады (тура реакция жүреді) . Керісінше, азайтса, реакция нәтижесінде түзілген өнімнің айрылуы жүреді, кері реакция жүреді. Реакция нәтижесінде түзілген заттар айрылмас үшін оларды (не біреуін) реакциядан шығарса, тепе-теңдік сол шығарылған заттың орнын толтыратын жаққа қарай ығысады, яғни реакция аяғына дейін жүреді.

Сыртқы жағдайдьщ әсерін, мыса-лы, концентрация әсерін қарастырайық.

СО (г) +Н20 -С02 (г) +Н2 (г)

Осы заттардың концентрацияларын арттырып көрелік. Бұл кезде оңға қарай жүретін тура реакцияның жылдамдығы артады және бұған сәйкес солға карай жүретін кері реакцияның жылдамдығы азаяды.

Концентрацияның әсері.

Якоб Хендрик Вант-Гофф

Голландия химигі. 1871 жылы Делфт қаласында Политехникалық мектепті бітірген. Лейден және Бонн (Ф. А. Кекуледе) университетерінде, Париждің жоғары медициналық мектебінде (Ш. А. Вюрце) және Утрехт университетінде (1874 жылдан философия докторы) білімін жетілдірген. 1876 жылдан Утрехттегі Ветеринария мектебінің оқытушысы, 1878-1896 жылдары Амстердам университетінің, 1896-1911 жылдары Берлин университетінің профессоры.

Физикалық химиямен стереохимияның негізін салушылардың бірі. Органикалық изометриясының түрлі көріністерін қарастырып Ж. А. Ле Белмен бір уақытта одан тәуесіз (1874), бүгінгі стереохимияның негізгі - органикалық қосылыстар молекуласындағы атомдардың кеңістіктік орналасу теориясының басты қағидаларын тұжырымдаған.

Көміртегі атомының ынтықтылық бірліктері тетраэдрдің бұрыштарына бағытталғандығы жайлы, әртүрлі төрт орынбасушылары бар көміртекті қосылыста екі стереоизомерлері болатыны жайлы және қос байланысы бар жағдайда тетраэдрлер қабырғалары арқылы жалғасатындығы жайлы болжамдар ұсынды. Аллен қосылыстарының изомериясын алдын ала болжаған. Тұжырымдаған ережесі бойынша бірнеше ассиметриялық центрлер бар қосылыстың молекулалық айналымын "ротофор" атты ассиметриялық центрлерінің молекулалық айналымдар үлестерінің алгебралық қосылыс ретінде қарастыруға болады. (Вант-Гоффтың оптикалық аддитивтік принципі)