Розуміння хімічних речовин Equilibrium

Хімічний рівновага є динамічним станом, в якому відбувається переадресні та зворотні реакції при однаковій швидкості, що призводить до постійних концентрацій реагентів і продуктів з часом. Цей баланс не статичні — молекули безперервно перетворюються, але концентрацій сітки залишаються незмінними. Стан рівноваги описаний математично за констанцією рівноваги (K), що є співвідношенням концентрацій продукту (зберігаються до їх синометричних коефіцієнтів) для реагуючих концентрацій (також піднімається до їх коефіцієнтів) за даної температури. Для загальної реакції [[FLT]a + blib rc + dr[F:1F: LT]

K = [C] [D]d / [A] [B]b]

Ця константа забезпечує кількісний характер реакції. Великий К виступає продуктами, а невелика К сприяє реагуванню. Розуміння, як зовнішні зміни впливають на цей рівновага, центральне для контролю хімічних реакцій в обох дослідженнях і промисловості.

Принцип роботи компанії Le Châtelier

Принцип Ле ЧАтельє, що сформульовано французькою хімістиролою Луїсом Ле ЧАтельє у 1884 році, стверджує, що коли система при рівновагі піддається зміні концентрації, температури або тиску (для газів), система передасть свою позицію для частково протидіяти зміні та ретерувати рівновагу. Принцип - якісний інструмент, який прогнозує напрямок зсуву. Для зміни концентрації реактиву цей принцип дає чітке керівництво:

  • Додати реагент: Система зрушить до споживання доданого реагатора, що сприяє реакції на переадресацію та виробці більше продуктів.
  • Знімання реагатора: Система переведена на зміну вилученого реагатора, що сприяє зворотній реакції та виробленню більш реагантів з продуктів.

Основна ідея полягає в тому, що рівноважний «відповідачі» для зняття стресу, що накладеною зміною концентрації. Ця поведінка є передбачуваною і відчужливою, що робить її кутовим елементом хімічної обробки. Для подальшого читання див.

Вплив Додавання реагентів

Коли в рівноважну суміш вноситься додаткова кількість одного або більше реагентів, реакція цитент (Q) тимчасово знижується (якщо додана речовина є реагантом) або збільшує (якщо продукт додано -але тут ми фокусуємо на реагуючих). Для реакції на рівновагу, Q = K. Додавання реагатора робить Q < K, оскільки деномінатор в експресії Q підвищується. Потім система пересувається на право (напередній напрямок) для перетворення деяких доданого реагатора в продукти, тим самим піднімаючи Q назад до K. Чистий ефект є вищим продуктом.

Приклад: Синтез аміаку (процес габер)

] ] ] ](g) ⁇ :2]]3 (g)] ] 2 або H)]2

Приклад: Формування гідрогену йоду

Ще один класичний приклад: H2](г) + I2](г) ^ 2HI(г)]. Якщо додаткова H2] додається відповідь H]

Для більш кількісного лікування реагійних цитів і рівновагових зсувів, відносяться до Кан-академічний підручник по реакції цитент.

Вплив видалення реактивів

Зовні, якщо реагент знімається з системи на рівновагі, концентрація цього виду знижується. Це робить реакцію цитентом Q > K (звідси деномінатор стає меншим). Для відновлення рівноваги система переходить наліво, що сприяє зворотній реакції: продукти будуть споживані для відновлення відсутніх реагентів. Результатом є чистий зниження концентрації продукту і збільшення концентрації реагентів.

Приклад: Розгортання гідрогену в синтезі аміаку

Повернутися до процесу Haber: якщо водневий газ (H2) вибирається з реактора (наприклад, через мембрану або тому, що він споживається в іншій побічній реакції), екіліберію переходить до лівого. Аміак (NH3]) декомпозицію в N2] і H2 для підвищення продуктивності H[Flib][Flib]

Приклад: Реакант Haber Процес

На практиці процес Haber використовує надлишок N2 відносно stoichiometric 1:3 співвідношення. Якщо один навмисно знижує N2 корм, система буде переходити для виробництва більше N2] від NH]3], що знижує вихід аміаку. Це ілюструє, як і доповнення і видалення реагаторів може бути використаний для управління напрямком— може бути використана реаблітація.

Кількісний зміст: Реакциєнт реакції

Напрямок і обсяги переходу при доданні реагентів або видалені можна передбачити за допомогою реакції цитент (Q). У будь-який момент Q = [products] коефіцієнти / [реактиви] коефіцієнти. Порівняння Q з K розповідає нам:

  • Якщо Q < K: на користь форвардної реакції (система зрушиться прямо).
  • Якщо Q > K: зворотна реакція (зрушення системи зліва).
  • Якщо Q = K: система знаходиться на рівновагі.

Коли ми додаємо реагуючий агент, його концентрація збільшується, що робить деномінатор в Q більшого (звідси він з'являється в деномінаторі експресії Q для цього реагатора). Таким чином, Q стає менше, ніж K, що викликає правий зсув. При видаленні реагатора зменшується, Q стає більшою, ніж K, а система зрушується зліва. Цей кількісний каркас дозволяє хімікати розрахувати нові концентрацій рівноваги після зміни, використовуючи констанцію екіліберію і початкові умови. Більш докладно про ці розрахунки див.

Real‐World Додатки

Промисловий хімічний синтез

Концентраційні концентрації є важливим для максимального здачі врожаю в багатьох хімічних процесах. Процес хабера (виробництво аміаку) і Зв'язатися з процесом (виробництво сірчаної кислоти) спирається на безперервне додавання реагаторів і видалення продуктів для переміщення рівноваги до необхідного продукту. У разі аміаку, нереактивованого N2 і H2

Екологічна хімія та контроль рівноваги

Удосконалення рівноважних змін до навколишнього середовища. Наприклад, розчинення CO2 в океанах передбачається рівновагу: CO22](aq) + H2]O FOLI]CO3 змінного струмуFLT:5]3[F[F:7[F:]3[F[F[F:][F:][F:7[F:7[F:7[FLT:][F:][F:]2[FLT:][FLT:]]]2[FLT:][FLT:]][FLT:]]]2[FLT

Біохімічні системи

У живих організмах фермент-каталізовані реакції часто діють біля рівноваги. Концентрація субстратів і продуктів щільно регулюється для приводу напрямку метаболічних шляхів. Наприклад, в гліколізичному шляху перетворення глюкози‐6‐фосфату до фруктози‐6‐фосфату здійснюється контроль відносними концентраціями цих метаболлітів, зміщення рівноваги, що необхідно для виробництва енергії.

Практичні наслідки в лабораторії

Хомісти часто маніпулюють реагуючі концентрації для передачі реакції на завершення або для вивчення механізмів реакції. Наприклад, при естеризації реакції (карбоксильна кислота + спиртова ріпа + вода), додаючи надлишок або кислоти або спирту зрушує рівновагу вправі, збільшуючи врожайність стержня. Поперечно, знімаючи воду (в результаті деано-старкового апарату або сушильного агента) також пересуває рівновагу до продукту. Ця техніка, відома як Le Châtelier‐на основі підвищення врожайності , є стандартним в органічному синтезі. Ще однією загальною технікою є дорогий надлишковий плюс

Резюме ключових концепцій

  • Додаючи реагатори] змінюють рівновагу до продуктів (наперед отримана реакція), підвищуючи концентрацію продукту.
  • Рекоменданти] змінюють рівновагу до реагантів (реверсійна реакція, що сприяє зменшенню концентрацій продукту та збільшення решти рівнів реагуючих.
  • Напрямок зміни прогнозується шляхом порівняння котинта реакції (Q) з констанцією рівноваги (K).
  • Ці принципи застосовуються в промислових процесах (процесах, контактних процесах, процесах Ostwald), екологічному регуляції, біохімічні шляхи та лабораторний синтез.
  • Принцип роботи компанії Le Châtelier - це якісний посібник, а відносини з Q/K забезпечують кількісний інструмент для розрахунку нових позицій рівноваги.

Магіструючи вплив змін концентрації реагентів на позицію рівноваги хіміків для проектування ефективних реакцій, оптимізації врожайності та розуміння природних та промислових хімічних систем. Для подальшого розвідки консультують з авторитетними ресурсами, такими як Вхід Енциклопедії на принципі Ле Чатєр.