Химическое равновесие

Компактная шпаргалка по химическому равновесию: константа равновесия (Kc, Kp), принцип Ле Шателье, уравнения Вант-Гоффа, степень диссоциации и правила смещения равновесия.

страница находится на стадии проверки

1. Обратимые реакции и состояние равновесия

Реакция считается обратимой, если она одновременно протекает в прямом и обратном направлениях:

$$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$$

Химическое равновесие — состояние системы, при котором скорость прямой реакции ($v_{\text{пр}}$) равна скорости обратной реакции ($v_{\text{обр}}$):

$$v_{\text{пр}} = v_{\text{обр}}$$

2. Закон действующих масс и константы равновесия

Константа равновесия через молярные концентрации ($K_c$)

Для гомогенной реакции $aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$:

$$K_c = \frac{[C]^c \cdot [D]^d}{[A]^a \cdot [B]^b}$$

где $[A], [B], [C], [D]$ — равновесные концентрации веществ (моль/л).

Константа равновесия через парциальные давления ($K_p$)

Применяется для газовых систем:

$$K_p = \frac{p_C^c \cdot p_D^d}{p_A^a \cdot p_B^b}$$

Связь между $K_p$ и $K_c$

$$K_p = K_c \cdot (R \cdot T)^{\Delta n}$$

$$\Delta n = (c + d) - (a + b)$$

где $\Delta n$ — изменение количества молей газообразных веществ; $R = 8{,}314 \text{ Дж/(моль}\cdot\text{К)}$; $T$ — температура в Кельвинах.

Замечания по гетерогенным реакциям

Концентрации (и парциальные давления) чистых твердых веществ ($s$) и жидких фаз ($l$) при постоянной температуре являются постоянными величинами и не включаются в выражение константы равновесия.

Пример: Для $C_{(s)} + CO_{2(g)} \rightleftharpoons 2CO_{(g)}$ выражение имеет вид:

$$K_c = \frac{[CO]^2}{[CO_2]}$$

3. Связь равновесия с термодинамикой

Уравнение изотермы химической реакции

Изменение энергии Гиббса ($\Delta G$) определяет самопроизвольность процесса:

$$\Delta G = \Delta G^\circ + R \cdot T \cdot \ln Q$$

В состоянии равновесия ($\Delta G = 0$, $Q = K$):

$$\Delta G^\circ = -R \cdot T \cdot \ln K$$

$$K = e^{-\frac{\Delta G^\circ}{R \cdot T}}$$

Зависимость константы равновесия от температуры (Уравнение Вант-Гоффа)

Изобара / Изохора Вант-Гоффа в дифференциальной форме:

$$\frac{d \ln K}{dT} = \frac{\Delta H^\circ}{R \cdot T^2}$$

Интегральная форма для температурного интервала от $T_1$ до $T_2$:

$$\ln\left(\frac{K_2}{K_1}\right) = \frac{\Delta H^\circ}{R} \left( \frac{1}{T_1} - \frac{1}{T_2} \right) = \frac{\Delta H^\circ \cdot (T_2 - T_1)}{R \cdot T_1 \cdot T_2}$$

4. Смещение химического равновесия (Принцип Ле Шателье — Брауна)

Если на систему, находящуюся в состоянии устойчивого равновесия, оказать внешнее воздействие (изменить концентрацию, температуру или давление), то равновесие сместится в сторону процесса, ослабляющего это воздействие.

Фактор воздействия Изменение условия Направление смещения равновесия
Концентрация Увеличение $[A]$ или $[B]$ (исходных веществ) Вправо ($\rightarrow$, в сторону продуктов)
Увеличение $[C]$ или $[D]$ (продуктов) Влево ($\leftarrow$, в сторону исходных веществ)
Температура Повышение температуры ($T \uparrow$) В сторону эндотермической реакции ($\Delta H > 0$)
Понижение температуры ($T \downarrow$) В сторону экзотермической реакции ($\Delta H < 0$)
Давление ($p$) / Объём ($V$)
(только для газов)
Повышение давления ($p \uparrow$) / сжатие ($V \downarrow$) В сторону меньшего количества молей газов ($\Delta n$)
Понижение давления ($p \downarrow$) / расширение ($V \uparrow$) В сторону большего количества молей газов ($\Delta n$)
Катализатор Добавление катализатора Не смещает равновесие (ускоряет $v_{\text{пр}}$ и $v_{\text{обр}}$ одинаково)

5. Равновесие в растворах электролитов

Степень диссоциации ($\alpha$)

$$\alpha = \frac{N_{\text{дисс}}}{N_{\text{общ}}} = \frac{C_{\text{дисс}}}{C_0}$$

Закон разбавления Оствальда

Связь между константой диссоциации ($K_d$), степенью диссоциации ($\alpha$) и начальной концентрацией ($C_0$):

$$K_d = \frac{\alpha^2 \cdot C_0}{1 - \alpha}$$

При слабых электролитах ($\alpha \ll 1$):

$$K_d \approx \alpha^2 \cdot C_0 \implies \alpha = \sqrt{\frac{K_d}{C_0}}$$

Ионное произведение воды ($K_w$) и pH

При $T = 298 \text{ K } (25^\circ\text{C})$:

$$K_w = [H^+] \cdot [OH^-] = 10^{-14}$$

$$\text{pH} = -\lg[H^+], \quad \text{pOH} = -\lg[OH^-]$$

$$\text{pH} + \text{pOH} = 14$$

Произведение растворимости (ПР / $K_{sp}$)

Для малорастворимой соли $A_x B_y{(s)} \rightleftharpoons x A^{y+} + y B^{x-}$:

$$K_{sp} = [A^{y+}]^x \cdot [B^{x-}]^y$$

  • Если $[A^{y+}]^x \cdot [B^{x-}]^y < K_{sp}$ — раствор ненасыщенный (осадок не выпадает).
  • Если $[A^{y+}]^x \cdot [B^{x-}]^y = K_{sp}$ — раствор насыщенный (равновесный).
  • Если $[A^{y+}]^x \cdot [B^{x-}]^y > K_{sp}$ — раствор пересыщенный (образуется осадок).

Если у вас возникли вопросы, пишите - поможем, чем сможем 🙂.
Quanta Science — индивидуальное обучение онлайн по математике, физике и химии.