Қайтымсыз және қайтымды химиялық реакциялар

Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 11 бет
Таңдаулыға:

ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ ҒЫЛЫМ ЖӘНЕ БІЛІМ МИНИСТРЛІГІ АЛМАТЫ ТЕХНОЛОГИЯЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ

СОӨЖ №3

Тақырыбы: Қайтымды және қайтымсыз реакциялар тепе-теңдігі

(реферат)

Орындаған: Бөленбай А. М.

Тексерген: Абилкасова С. О.

Алматы 2021

Қайтымсыз және қайтымды химиялық реакциялар. Тепе-теңдік. Химиялық тепе-теңдіктің константасы. Ле-Шателье принципі.

Химиялық реакциялар қайтымсыз және қайтымды болып екі топқа бөлінеді. Қайтымсыз реакциялар бастапқы заттардың біреуі немесе екеуі де таусылғанша ақырына дейін жүреді. Олардың ақырына дейін бір бағытта жүруіне реакцияға қатысатын заттардың табиғаты және жоғарыда келтірілген (концентрация, температура, катализатор, молекулалығы мен реті) әр түрлі факторлар әсер етеді. Қайтымсыз реакцияның мысалы ретінде калий хлоратының ыдырау реакцяисын келтіруге болады

2KCLO3=2KCL+3O2

Көптеген химиялық реакциялар қайтымды болады да екі бағытта жүреді. Химиялық реакцияның қай бағытта жүруі изобара-изотермалық потенциялдың мәніне байланысты, ал оның мәні энтальпиялық және энтропиялық факторларға тәуелді екені де белгілі. Сондықтан қайтымды реакциялардың екі бағытта тура және кері бағыттарда жүруі осы факторларға байланысты болады. Қайтымды реакцияның мысалы ретінде азот пен сутегінен аммиак түзілу професін келтірейік:

N2+3H2 2NH3

Тура реакцияның жүруіне энтальпияның азаюы кедергі жасайды, ал энтальпияның азаюы көмектеседі. Сондықтан процестің бас кезінде энтальпияның азаюы есебінен изобара-изотермалық потенциал азаяды да, реакция тура бағытта жүреді.

Кері реакцияның жүруіне энтальпия көбеюі кедергі жасайды, ал энтропия көбеюі көмектеседі. Реакция басталғаннан кейін аммиак молекулаларының түзілуіне, оның азот пен сутегі молекулаларына ыдырауына байланысты жүйенің энтропиясы көбейеді және соған сәйкес кері реакцияның изобара-изотермалық потенциалының мәні азаяды да процесс кері бағытта жүреді, яғни кері реакция энтропияның көбеюі есебінен жүреді.

Тура реакцияның жылдамдығы кері реакцияның жылдамдығына тең болатын қайтымды реакцияның күйін химиялық тепе-теңдік дейді.

Химиялық тепе-теңдік кезінде белгілі бір уақыт бірлігі ішінде тура реакцияның нәтижесінде қанша молекула түзілсе, қайтымды реакцияның нәтижесінде де сонша молекула түзіледі. Химиялық тепе-теңдік кезінде бастапқы және түзілген заттардың концентрациялары өзгермейді және оларды тепе-теңдік концентрациялары дейді.

Химиялық тепе-теңдікті сан жағынан тепе-теңдік константасы сипаттайды. Тепе-теңдік константасы жоғарыдакелтілірлген аммиак синтездеу реакциясын мысалға алып қарастырайық

N2+3H2=2NH3

Химиялық кинетиканың заңы бойынша тура және кері реакциялардың жылдамдықтары былай жазуға болады. 𝜗1=𝐾1∗[𝑁2] ∗[𝐻2] 3

𝜗K2[NH3] 2

Химиялыө тепе-теңдік кезінде тура жіне кері реакциялардың жыылдамдықтары өзара тең болатындықтан теңдеуді былай жазуға болады:

K1[N2] [H2] 3=K2[NH3]

Тура реакция мен кері реакияның жылдамдық константаларының қатынасы да тұрақты болады және оны осы реакцияның тепе-теңдік константасы деп атайды.

К=К1/К2
Мынадай жалпы түрде қайтымды реакция тепе-теңдік күйде екен дейік:

aA+bB=cC+dD

Бұл реакцияның тепе-теңдік константасын (К) мынадай теңдеу түрінде жазуға болады:

К=[C] c[D] d\[A] a[B] b

Қайтымды реакцияның тепе-теңдік константасының мәні әрекеттесетін заттардың табиғаты мен температураға байланысты, бірақ концентрацияға байланысты емес. Сыртқы жағдацдың өзгеруітура реакция мен кері реакцияның жылдамдығына түрліше әсер ететіндіктіен тепе-теңдік тура реакцияның нмесе кері реакцияның бағытына қарай ығысады. Сыртқы жағдайдың өзгеруіне байланысты химиялық тепе-теңдіктің белгілі бір бағытқа ығысуын Ле- Шателье принципі анықтайды.

Кез келген химиялық реакция 2 бағытта жүреді . Мысалы, гомогенді фазада өтетін А+В ↔︎ С+Д. Химиялық реакция нәтижесінде жаңа өнімнің алынуы - оң жаққа қарай жүретін реакцияға жатады. Тура реакцияның жылдамдығы: υT=Кт[А] •[В] теңдеуімен беріледі. Реакцияның бастапқы кезінде тура реакцияның жылдамдығы жоғары, яғни өнімдердің түзілуі қарқынды өтеді. Біраз уақыттан соң, яғни реакция өнімдері (С, Д) қажетті мөлшерде жиналғанда, кері реакцияның, демек бастапқы заттардың түзілу де едәуір артады. υT=Кт[C] •[D] Реакция қайтымды болғандықтан, белгілі мезеттен соң химиялық тепе-теңдік орнайды. Бұл жағдайда қоспа құрамы (конценрациялары, қалыпты қысымдары) тұрақты болады, тура және кері реакцияның жылдамдықтары теңеседі. Химиялық тепе-теңдік жағдайында болатын, тура және кері бағытта өтетін реакциялар қайтымды реакциялар деп аталады. Термодинамикалық тұрғыдан химиялық тепе-теңдік кезінде изобаралы-изотермалы потенциалдың мәні өзгермейді (G = соnsт, G=0) . Химиялық реакцияға қатысатын барлық заттардың Гиббс энергиясының өзгеруі химиялық ынтықтылық мөлшерін көрсетеді. Демек, изобаралы - изотермалы потенциалдың өзгерісі үдерістің қозғаушы күші ретінде саналады. G=0 болған сайын, жүйе тепе-теңдік күйден алшақтау және соғұрлым реакцияласуға қабілетті.
Тепе-теңдік күйде

Ал реакция кері жүріп, әуелгі қосылыстардың қайта шығуы кері бағыттағы реакция болады. Сондай-ақ жылу бөліне жүретін реакция экзотермиялық реакцияларда тура бағыттағы десе сырттан жылу қабылдайтын эндотермиялық реакцияларды кері реакция деді. Белгілі бір уақыт өткен соң реакциялар теңеседі. Егер осы тепе-теңдік орнағанда Т, Р сияқты параметрлер өзгермесе, химиялық тепе-теңдік орнап, реакцияға түсетін заттардың концентрациялары тұрақталады. Химиялық қайтымды реакциялар химиялық тепе-теңдік орнағанша жүреді. Термодинамикалық тұрғыдан олар қайтымсыз және жұмысы тиімді емес. Әйтседе тура және кері бағыттағы химиялық реакцияларды үздіксіз қозғалыстағы бөлшектер түрінде қарастыратын болсақ оны термодинамикалық қайтымды процеске жақындатуға, ұқсатуға болады. Егер осы айтылған ой шартқа айналса, онда бұған термодинамикалық тепе-теңдік шартын қолданып, ондағы барынша пайдалы, тиімді жұмысты есептеуге болады және ол жұмысты А’m=- ұқсастық өлшемі дейді. Тура реакцияның жылдамдық тұрақтысының кері реакцияның жылдамдық тұрақтысына қатынасы тепе-теңдік тұрақтысы (Кт-т) деп аталады.
Соңғы теңдеу әсерлесуші массалар заңының математикалық теңдеуі болып саналады. Бұл теңдеуден қайтымды химиялық реакциялардағы тепе-теңдік реакция өнімдерінің және бастапқы заттардың концентрациялары көбейтінділерінің қатынасы тұрақты шамаға тең болған кезде орнайтындығын көреміз. Тепе-теңдік тұрақтысы (Кс) қайтымды реакциялар үшін классикалық деп аталады, ол әсерлеуші заттардың табиғатына тәуелді, бірақ олардың концентрацияларына тәуелсіз. Температура өзгергенде тепе-теңдік тұрақтысы жылдамдық тұрақтыларына қарағанда аз өзгереді, себебі Кт/Кк қатынасы температураға байланысты мүлдем өзгермейді.
Біз заттардың стехиометриялық коэффициенттері 1-ге тең қарапайым, қайтымды реакцияны қарастырдық.
Егер теңдеудегі стехиометриялық коэффициенттер сәйкес а, в, с, d-ға тең болса, онда қайтымды химиялық реакцияның теңдеуін былай жазамыз:
аА+вВ сС+dД
Мұндай жалпы жағдай үшін химиялық тепе-теңдік теңдеуі (басқаша айтсақ, әсерлесуші массалар заңы) былай жазылады.
Бұл заңды басқаша жазуға болады. Мысалы, әсерлесуші заттар газ күйінде болса, теңдеудегі концентрация орнына олардың парциалды қысымдарын келтіріп, өрнектейміз. Онда тепе-теңдік тұрақтысын Кр деп белгілейміз.

Реалды жүйелер үшін концентрация орнына заттардың тепе-теңдік күйдегі белсеңділіктері (а) қолданылады, бул жағдайдағы Ка-химиялық тепе-теңдіктің термодинамикалық түрақтыеы деп аталады. Кр мен Кс арасындағы байланысты табу үшін Менделеев-Клайперонның идеал газ күйінің теңдеуін қолданайық:
рV = nRТ, осыған р = (n/V/) RТ
n/V=С (моль) концентрация болғандықтан, рА=[А] RТ деп жазамыз.
Теңдеуді парциалды қысымдар мәндерінің концентрациялары арқылы
өрнектелік:
l
немесе, Кр=Кс(RТ) Δn мұнда, n=(с+d) -(а+b), яғни Δn реакциядағы заттардың стехиометриялық коэффициенттердің алгебралық қосындысы, немесе реакциядағы молекула санының (көлемінің) өзгерісін көрсетеді. Молекулалар сандары өзгермейтін реакциялар үшін, яғни с+д=а+в жағдайда, Кс және Кр мәндері өзара сәйкес келеді, Кр= Кс.
Әсерлесуші массалар заңының маңызды қорытындысы реакцияға қатысатын заттардың концентрацияларының немесе парциалды қысымдарының өзара байланыстылығын көрсетеді.
Тепе-теңдік жүйедегі р, Т=соns жағдайда әсерлесуші заттардың біреуінің концентрация өзгерісі міндетті түрде басқа заттардың сәйкес концентрация
өзгерісіне әкеледі, бірақ тепе-теңдік тұрақтысы өз мәнін сақтайды.
Гетерогенді реакцияларда химиялық тепе-теңдік тұрақтысының өрнегіне реакцияға қатысатын тек газ күйдегі заттардың парциалды қысымдары (немесе концентрациялары) енеді. Сұйық немесе қатты күйдегі заттардың парциалды қысымдары" (немесе концентрациялары) 1-ге тең деп алынады, себебі олардың химиялық потенциалдары тұрақты.
Мысалы, 2С(аморф) + О2(Г) = 2Сons реакциясы үшін

2. 1. Химиялық тепе-теңдіктің ығысуы.
Химиялық тепе-теңдіктің теңдеуіне сәйкес, тепе-теңдікте тұрған жүйедегі кез келген зат концентрациясының өзгерісі тепе-теңдіктің қандай да бір ығысуына әкеледі. Бастапқы заттардың концентрацияларының артуы реакция өнімдері ағымының өсуіне әкеледі, ал реакция өнімдерінің концентрациясының артуы бастапқы заттардың түзілу ықтималдылығының арттырады. Химиялық тепе-теңдікке температура мен қысым өзгерісі де әсер етеді. Демек, химиялық тепе-теңдік күйі сыртқы жағдайлар (концентрация, қысым, температура) өзгеріссіз болғанда сақталады. Бұл Сыртқы шарттардың өзгерісі тепе-теңдік күйді бұзады. Сыртқы жағдайларға байланысты жүйенің бір тепе-тендік күйден екіншісіне өтуін химиялық тепе-теңдіктің ығысуы деп аталады.
Әр түрлі сыртқы жағдайлардың өзгерісінің тепе-теңдіктің бағытына әсері Ле-Шателье (1885ж. ), Браузи (1886ж. ) ережесімен беріледі. Егер термодинамикалық тепе-теңдікте тұрғын күйеге сырттан әсер етіп, тепе-тендікті анықтайтын қандайда бір сыртқы шартты (концентрация, қысым,
температура) онда жүйеде осы әсерді әлсіретуге тырысатын өздігінен жүретін үдерістер пайдаболады.
Химиялық тепе теңдік жағдайында тура және кері реакциялардың жылдамдықтары өзара тең болады, сырттжі әсер ету осы жылдамдықтардың әртүрлі өзгеруіне әкеледі. Тура және кері реакциялардың жылдамдықтарының тепе - теңдігінің бұзылуы химиялық тепе-теңдіктің ығысуына, мұнан соң, жылдамдықтары бірдей болатын жаңа химиялық тепе-теңдіктің орнауына әкеледі, бұл бұрынғы тепе-теңдік күйден сипаты бойынша өзгеше.
Алдымен химиялық тепе-теңдікке температура өзгерісі қалай әсер ететінін, бақылайық. Аммиактың түзілу реакциясы жылу бөле арқылы жүреді (экзотермиялық реакция), кері реакцияда, яғни аммиактың ыдырауы кезінде, жылу жұтылады (эндотермиялық реакция) . Сырттан жылу әкеліп, температураны арттыру (яғни жүйені қыздыру) химиялық тепе-теңдікті жылу жулылатын реакцияның (аммиактың ыдырауы) бағытына ығыстьграды. Бұл ығысу сыртқы әсерді әлсіретеді. Температураны төмендету химиялық тепе-теңдікті жылы бөле жүретін (экзотермиялық) реакция бағытына ығыстырады (яғни аммиактың түзілу бағытына) . Сонымен, температураны арттыру эндотермиялық реакциялардың, ал температураны кеміту - экзотермиялық реакциялардың жүруіне ықпал етеді. Мысалы:

. , , .
Мысалы, N2 + 3Н2 ↔︎2NH3тепе- . Демек, тепе-.
. -, . Мысалы, , . Себебібастапқызаттар - 4 моль. алонантек 2 мольөнім-аммиакшығады. , . .
Ал конденсирленген күйдегі, яғңи сұйық және қатты күйдегі жүйелерде қысым өзгерісі химиялық тепе-теңдікке онша әсер етпейді, себебі бұл күйдегі заттардың көлемдері айтарлықтай өзгермейді.
Егер, қайтымды химиялық реакцияда молекулалардың жалпы саны өзгермесе, онда қысым өзгерісі жүйенің химиялық тепе - теңдігіне әсер етпейді. Мысалы, N2+3H22NН3 теңдеуі бойынша өтетін реакция кезінде жүйедегі заттардың молекула сандары өзгермейді. Сондықтан тұрақты температурада қысымның бірнеше есе ескеніне қарамастан, йодсутектің ыдырау (диссоциация) дәрежесі тұрақты болып қалады.
Айтылған ережелерге сай, аммиактың оңтайлы шығымы. Жоғарықысымда (-1000 атм. ) және температурада (300 С) байқалады. Біз химиялық тепе-теңдіктің ығысу шарттарын біртекті (гомогенді) жүйелер үшін қарастырдық. Бұл ереже іртекті (гетерогенді) жүйелер үшін орындалмайды. Мысалы, домна пештерінде өтетін көміртек (IV) диоксидінің тотықсыздану реакциясын алайық:

Берілгенхимиялықжүйе-гетерогенді, себебіондақатты(көмір) жәнегаз(С02жәнеСО) фазаларбар. Көміртек(IV) , -, яғникөміртек(II) , алтемператураныкеміту (суыту) тепе-теңдіктісолға, .
Қысымдыарттырутепе-, себебі 2 мольСОгазынан1 мольС02газытүзіледі, , қысымдыкемітутепе-теңдіктіоңға, демек, . Қаттызаттың (көмір) , олескерілмейді. , , мысалы

Берілген температурада ыдырау қысымы, яғни Р берілген тұрақгы мәнге ие болады.

Қайтымды және қайтымсыз процестер

Термодинамика физиканың бір бөлімі ретінде энергия мен жұмыстың арасындағы қатысты қарастырады. Термодинамиканы кейде жылудың жалпы теориясы деп те атайды, термодинамикалық дене немесе термодинамикалық жүйе деп белгілі бір көлемге ие болатын затты айтады. Мысалы, цилиндр поршенінің астындағы газды термодинамикалық дене деп айта аламыз. Термодинамикалық жүйе (дене) үш параметрмен (Т температура, V көлем және Р қысым) сипатталады. Термодинамикалық жүйенің бір күйден екінші күйге өтуін термодинамикалық процесс деп атайды. (Бір күйден екінші күйге өткенде бір параметрдің мәні өзгерсе болғаны) . Айталық, термодинамикалық жүйе бір күйден (У ₁ , Р _1, Т ₁ ) екінші күйге (У ₂ , Р ₂ , Т ₂ ) өтті, яғни бірнеше күйлерді басынан кешірді делік.

Қайтымды термодинамикалық процесс деп жүйенің алғашқы күйіне қоршаған ортаға ешқандай өзгерістер қалдырмай оралуы айтылады. Қайтымды процестерге тек тепе - теңдік процестер ғана жатады. Өйткені, тепе - теңдік процесінде жүйе бір - бірінен айырмашылығы өте аз көптеген күй тізбегінен өтеді. Мұндай күй тізбегі әуелі бір бағытта, сонан соң кері бағытта өткен кезде кез келген аралықта жүйені қоршаған ортадағы өзгерістер тек мәндерінің теріс немесе оң таңбаларымен ғана ерекшеленеді. Сондықтан жүйе өзінің бастапқы күйіне қайта оралғанда айнала қоршаған ортада болған өзгерістер қайта жойылып, бастапқы күйге келеді.

Қайтымды процеске мысал келтірейік. Абсолют серпімді дененің, мысалы, шардың көлбеу жазықтықпен кедергісі жоқ ортада еркін түсуін қарастырайық. Егер дене горизонталь жазықпен абсолют серпімді соғысса, ол өзінің бастапқы орнына сол траекториямен қайтып оралады. Бұл жере процесс толық қайталанып отыр. Айналадағы ортада қандай да бір өзгерістер болмасын, дене өзінің бастапқы орнына қайта оралады. Үйкеліссіз тербеліп тұрған маятниктің қозғалысын да осындай қайтымды процестің мысалы ретінде қарастыруға болады: маятник өзінің жарты период ішінде А нүктесінен В нүктесіне дейін жүрген жолын екінші жарты период ішінде кері бағытпен қайта жүріп өтеді және А нүктесіне айналадағы денелерде қандай да бір өзгерістер болмастан оралады.

Сонымен, жалпы алғанда ойша үйкеліссіз өтетін және серпімсіз соқтығулар қатыспайтын “таза” механикалық процестердің барлығын да қайтымды процесс деп қарастыруға болады.

Денені бір күйден екінші күйге келтіретін процесс үшін термодинамиканың бірінші бастамасын жазайық:

∆Q _{1, 2} = ∆U _{1, 2} +∆А _{1, 2} (1)

Сыртқы әсерді өзгерте отырып, жүйені 2-күйден алғашқы 1-күйіне қайта алып келуге болады, сонда:

∆Q _{2, 1} = ∆U _{2, 1} +∆А _{2, 1} (2)

Бұл тектес процестер циклдік немесе тұйық деп аталады. Жоғарыда қарастырғанымыздай, ішкі энергия жүйе күйінің функциясы болып табылады, сондықтан (1) мен (2) қосу арқылы мынаны аламыз:

∆Q _{1, 2} +∆Q _{2, 1} =∆А _{1, 2} +∆А _{2, 1} (3)

1 - күйден 2 - күйге өту тепе - теңдік процесс болсын, яғни зерттелетін жүйенің температурасы мен жылу көзінің (қоршаған ортаның) температура айырымы, сондай - ақ ішкі және сыртқы қысымдар айырымы өте аз жағдайда өтсін дейік. Сонда сыртқы әсерді өзгертіп, (бағытын теріс, қарама - қарсы өзгерте отырып) бірінші жағдайда (1→2) орын алған күй кезеңдерінен тепе - теңдік жағдайда қайта өткізіп, жүйені екінші күйден бірінші күйге қайтаруға болады (1 - сурет) . Бұл жағдайда, әрине ∆А _{1, 2} =-∆А _{2, 1} , болады да , (3) бойынша ∆Q _{1, 2} +∆Q _{2, 1} =0.

Сыртқы денелердің өзгерісі әдетте, олардың үстінен

немесе олардың өзінің жүйе үстінен жұмыс істеуіне

және жылу беруіне байланысты болады да, қарасты-

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.