Вивчення параметрів системи, що включає вихідні речовини і продукти реакції, дозволяє з 'ясувати, які фактори зміщують хімічну рівновагу і ведуть до бажаних змін. На висновках Ле Шательє, Брауна та інших вчених про способи проведення зворотних реакцій засновані промислові технології, що дозволяють здійснити раніше здавалися неможливими процеси, отримати економічну вигоду.
Різноманітність хімічних процесів
За особливостями теплового ефекту багато реакцій відносять до екзо- або ендотермічних. Перші йдуть з утворенням теплоти, наприклад, окислення вуглецю, гідратація концентрованої сірчаної кислоти. Другий тип змін пов 'язаний з поглинанням теплової енергії. Приклади ендотермічних реакцій: розпад карбонату кальцію з утворенням гашеної вапна та вуглекислого газу, утворення водню та вуглецю при термічному розкладанні метану. У рівняннях екзо- та ендотермічних процесів необхідно вказувати тепловий ефект. Перерозподіл електронів між атомами реагуючих речовин відбувається в окислювально-відновлювальних реакціях. Чотири типи хімічних процесів виділяють за особливостями реагентів і продуктів:
- з "єднання А + В = С;
- розкладання С = А + В;
- заміщення АВ + С = АС + В;
- обмін АВ + СД = АС + ВД.
Для характеристики процесів важлива повнота взаємодії реагуючих з 'єднань. Ця ознака лежить в основі ділення реакцій на обрані і незворотні.
Зворотність реакцій
Звернені процеси становлять більшість серед хімічних явищ. Утворення кінцевих продуктів з реагентів є прямою реакцією. У зворотній же вихідні речовини виходять з продуктів свого розкладання або синтезу. У реагуючій суміші виникає хімічна рівновага, при якій виходить стільки ж сполук, скільки розкладається вихідних молекул. У зворотних процесах замість знака "=" між реагентами і продуктами використовуються символи "↔" або "⇌". Стрілки можуть бути неоднаковими за довжиною, що пов 'язано з домінуванням однієї з реакцій. У хімічних рівняннях можна вказувати агрегатні характеристики речовин (г - гази, ж - рідини, т - тверді). Величезне практичне значення мають науково обґрунтовані прийоми впливу на звернені процеси. Так, виробництво аміаку стало рентабельним після створення умов, що зрушують рівновагу в бік утворення цільового продукту: 3Н2 (г) + N2 (г) ⇌ 2NH3 (г). Незворотні явища призводять до появи нерозчинного або малорозчинного з 'єднання, утворення газу, що покидає сферу реакції. До таких процесів можна віднести іонний обмін, розпад речовин.
Хімічна рівновага та умови її зміщення
На характеристики прямого і зворотного процесів впливає кілька факторів. Один з них - час. Концентрація взятої для реакції речовини поступово знижується, а кінцевої сполуки - зростає. Реакція прямого напрямку йде все повільніше, зворотний процес набирає швидкість. У певний проміжок два протилежних процеси йдуть синхронно. Взаємодія між речовинами відбувається, але концентрації не змінюються. Причина - динамічна хімічна рівновага, що встановилася в системі. Його збереження або зміна залежить від:
- температурних умов;
- концентрації з 'єднань;
- тиску (для газів).
Зсув хімічної рівноваги
У 1884 році видатний вчений з Франції А. Л. Ле Шательє запропонував опис способів виведення системи зі стану динамічної рівноваги. В основі методу лежить принцип нівелювання дії зовнішніх факторів. Ле Шательє звернув увагу, що в реагуючій суміші виникають процеси, що компенсують вплив сторонніх сил. Сформульований французьким дослідником принцип свідчить, що зміна умов у стані рівноваги сприяє протіканню реакції, що послаблює сторонній вплив. Зміщення рівноваги підпорядковується цьому правилу, воно дотримується, коли змінюється склад, температурні умови і тиск. Технології, засновані на висновках вчених, використовуються в промисловості. Багато хімічних процесів, які вважалися практично нездійсненними, проводяться завдяки способам зміщення рівноваги.
Вплив концентрації
Зсув рівноваги відбувається, якщо вилучити із зони взаємодії певні компоненти або додатково ввести порції речовини. Видалення продуктів з реакційної суміші зазвичай викликає збільшення швидкості їх утворення, додавання речовин, навпаки, призводить до їх переважного розпаду. У процесі етерифікації для зневоднення використовують сірчану кислоту. При введенні її в сферу реакції підвищується вихід метилацетату: СН3СООН + СН3ОН ↔ СН3СООСН3 + Н2О. Якщо додавати кисень, що взаємодіє з діоксидом сірки, хімічна рівновага зміщується в бік прямої реакції утворення тріоксиду сірки. Кисень зв 'язується в молекули SO3, його концентрація знижується, що узгоджується з правилом Ле Шательє для звернених процесів.
Зміна температури
Процеси, що йдуть з поглинанням або виділенням тепла, - ендо- та екзотермічні. Для зміщення рівноваги використовується нагрівання або відведення тепла від реагуючої суміші. Зростання температури супроводжується підвищенням швидкості ендотермічних явищ, в яких додаткова енергія поглинається. Охолодження призводить до переваги екзотермічних процесів, що йдуть з виділенням тепла. При взаємодії діоксиду вуглецю з вугіллям нагрівання супроводжується збільшенням концентрації монооксиду, а охолодження веде до переважного утворення сажі: СО2 (г) + С (т) ↔ 2СО (р).
Вплив тиску
Зміна тиску - важливий фактор для реагуючих сумішей, що включають газоподібні сполуки. Також слід звернути увагу на різницю обсягів вихідних і отриманих речовин. Зниження тиску веде до переважного протікання явищ, в яких збільшується загальний обсяг всіх компонентів. Зростання тиску спрямовує процес у бік зниження обсягу всієї системи. Така закономірність дотримується в реакції утворення аміаку: 0,5N2 (г) + 1,5Н2 (г) ⇌ NH3 (г). Зміна тиску не вплине на хімічну рівновагу в тих реакціях, які йдуть при незмінному обсязі.
Оптимальні умови здійснення хімічного процесу
Створення умов для зміщення рівноваги багато в чому визначає розвиток сучасних хімічних технологій. Практичне використання наукової теорії сприяє отриманню оптимальних результатів виробництва. Найбільш яскравий приклад - отримання аміаку: 0,5N2 (г) + 1,5Н2 (г) ⇌ NH3 (г). Підвищення вмісту в системі молекул N2 і Н2 сприятливо для синтезу складної речовини з простих. Реакція супроводжується виділенням теплоти, тому зниження температури викличе збільшення концентрації NH3. Обсяг вихідних компонентів більший, ніж цільового продукту. Зростання тиску забезпечить підвищення виходу NH3.
В умовах виробництва підбирають оптимальне співвідношення всіх параметрів (температури, концентрації, тиску). Крім того, має велике значення площа зіткнення між реагентами. У твердих гетерогенних системах збільшення поверхні веде до зростання швидкості реакції. Каталізатори збільшують швидкість прямої і зворотної реакції. Застосування речовин з такими властивостями не призводить до зміщення хімічної рівноваги, але прискорює її наступ.