Хемијска равнотежа и стварање услова за њено померање

Проучавање параметара система, укључујући полазне материјале и продукте реакције, омогућава нам да утврдимо који фактори померају хемијску равнотежу и доводе до жељених промена. На основу налаза Ле Цхателиера, Бровна и других научника о начинима спровођења реверзибилних реакција, базирају се индустријске технологије, које омогућавају да се претходно проводе наизглед немогући процеси и добију економске користи.

Разноврсност хемијских процеса

Према специфичностима термалног ефекта, многе реакције се приписују егзотеричном или ендотермичком. Први долази са формирањем топлоте, на пример, оксидацијом угљеника, хидратацијом концентрисане сумпорне киселине. Други тип промене је повезан са апсорпцијом топлотне енергије. Примери ендотермних реакција: распад калцијум карбонат са образовањем хидрирани креч и угљен диоксид формирање водоника и угљеника током термичке разградње метана. У једнаџбама егзотермних и ендотермних процеса потребно је указати на топлотни ефекат. Редистрибуција електрона између атома реагујућих супстанци јавља се у редокс реакцијама. Четири врсте хемијских процеса се разликују по карактеристикама реагенса и производа:

• једињење А + Б = Ц;
• декомпозиција Ц = А + Б;
• супституција АБ + Ц = АЦ + Б;
• размена АБ + СД = АЦ + ВД.

За карактеризацију процеса важна је комплетност интеракције једињења која реагују. Ова особина је у основи подјеле реакција на реверзибилне и неповратне.

Реверзибилност реакција

Реверзибилни процеси чине већину хемијских феномена. Формирање крајњих производа из реагенса је директна реакција. Обрнуто, оригиналне супстанце се добијају из продуката њиховог разлагања или синтезе. У реакционој смеши долази до хемијске равнотеже, при чему се добија онолико једињења колико се почетни молекули разлажу. У реверзибилним процесима, умјесто знака "=" између реагенса и производа, користе се симболи "↔" или "⇌". Стрелице могу бити неједнаке дужине, због доминације једне од реакција. У хемијским једначинама може се указати на агрегативне карактеристике супстанци (д - гасови, г - течности, т - чврсте материје). Од велике практичне важности су научно утемељене методе утицаја на реверзибилне процесе. Тако је производња амонијака постала профитабилна након стварања услова који померају равнотежу ка формирању циљног производа: 3Х2 _(г) + Н2 _(г) 2НХ3 _(г) . Неповратне појаве доводе до појаве нерастворљивог или слабо растворљивог једињења, формирања гаса који излази из сфере реакције. Ови процеси укључују ионску измену, разградњу супстанци.

Хемијска равнотежа и услови за њено померање

На карактеристике директних и обрнутих процеса утиче неколико фактора. Један од њих је време. Концентрација супстанце која се узима за реакцију постепено се смањује, а концентрација коначног једињења се повећава. Реакција правца напред је спорија, обрнути процес добија на брзини. У одређеном интервалу, два супротна процеса иду синхроно. Појављује се интеракција између супстанци, али се концентрације не мијењају. Разлог је динамичка хемијска равнотежа успостављена у систему. Очување или промена зависи од:

• температурни услови;
• концентрације једињења;
• притисак (за гасове).

Померање хемијске равнотеже

Године 1884., истакнути научник из Француске, А.Ле Ле Цхателиер, предложио је опис како да се систем извуче из стања динамичке равнотеже. Метода се заснива на принципу изједначавања дјеловања вањских фактора. Ле Цхателиер је приметио да у реакционој мешавини постоје процеси који компензују утицај страних сила. Принцип који је формулисао француски истраживач наводи да промена услова у стању равнотеже погодује реакцији, што слаби непотребно дејство. Равнотежна смена се покорава овом правилу, посматра се када се промени састав, температурни услови и притисак. Технологије засноване на налазима научника користе се у индустрији. Многи хемијски процеси, за које се сматрало да су практично непрактични, спроводе се захваљујући методама померања равнотеже.

Ефекат концентрације

До помака у равнотежи долази када се одређене компоненте уклоне из зоне интеракције, или се уведу додатни делови супстанце. Уклањање производа из реакционе смеше обично узрокује повећање брзине њиховог формирања, додавање супстанци, напротив, доводи до њихове преференцијалне разградње. У процесу естерификације користи се дехидрација сумпорна киселина. Када се унесе у реакциону сферу, принос метил ацетата се повећава: ЦХ ₃ ЦООХ + ЦХ ₃ ОХ О ЦХ ₃ ЦООЦХ ³ + Х ₂ О. Ако додате кисеоник који реагује са сумпор диоксид, Ова хемијска равнотежа помера се ка директној реакцији формирања сумпор триоксида. Кисеоник се везује за молекуле СО ₃ , његова концентрација се смањује, што је у складу са Ле Цхателиеровим правилом за реверзибилне процесе.

Промена температуре

Процеси са апсорпцијом или генерисањем топлоте су ендо- и егзотермни. Да би се померила равнотежа, користи се топлота или топлота из реакционе смеше. Повећање температуре је праћено повећањем брзине ендотермних појава у којима се апсорбује додатна енергија. Хлађење доводи до предности егзотермних процеса, уз ослобађање топлоте. Када угљен диоксид ступа у интеракцију са угљем, загревање је праћено повећањем концентрације моноксида, а хлађење доводи до превладавајућег формирања чађе: ЦО _{2 (г)} + Ц _(т) 2ЦО _(г) .

Ефекат притиска

Промена притиска је важан фактор за реаговање смеша које укључују гасовита једињења. Такође треба обратити пажњу на разлику у количинама оригиналних и резултирајућих супстанци. Смањење притиска доводи до превладавајућег правца појава у којима се повећава укупна запремина свих компоненти. Повећање притиска усмерава процес ка смањењу обима целог система. Овај образац је примећен у реакцији стварања амонијака: 0.5Н2 _(г) + 1.5Х2 _(г) НХ3 _(г) . Промена притиска неће утицати на хемијску равнотежу у оним реакцијама које се дешавају при константној запремини.

Оптимални услови за спровођење хемијског процеса

Стварање услова за промену равнотеже у великој мери одређује развој савремених хемијских технологија. Практична употреба научне теорије доприноси добијању оптималних производних резултата. Најупадљивији пример је производња амонијака: 0.5Н2 _(г) + 1.5Х2 _(г) НХ3 _(г) . Повећање садржаја молекула Н ₂ и Х ₂ у систему је повољно за синтезу комплексне супстанце из једноставних. Реакција је праћена ослобађањем топлоте, тако да ће смањење температуре узроковати повећање концентрације НХ3. Запремина почетних компоненти је већа од циљног производа. Повећање притиска ће повећати принос НХ3.

У условима производње, изабран је оптималан однос свих параметара (температура, концентрација, притисак). Поред тога, подручје контакта између реагенса је важно. У чврстим хетерогеним системима, повећање површине доводи до повећања брзине реакције. Катализатори повећавају брзину директних и реверзних реакција. Употреба супстанци са таквим својствима не замењује хемијску равнотежу, већ убрзава њен почетак.