Equilibrio chimico e condizioni di creazione del suo spostamento

Lo studio dei parametri del sistema, compresi i materiali di partenza e i prodotti di reazione, ci consente di scoprire quali fattori spostano l'equilibrio chimico e portano ai cambiamenti desiderati. Sulla base delle scoperte di Le Chatelier, Brown e di altri scienziati sulle modalità di realizzazione di reazioni reversibili, si basano le tecnologie industriali, che consentono di eseguire processi precedentemente apparentemente impossibili e ottenere benefici economici.

Varietà di processi chimici

Secondo le peculiarità dell'effetto termico, molte reazioni sono attribuite all'exo- o all'endotermia. Il primo arriva con la formazione di calore, ad esempio l'ossidazione del carbonio, l'idratazione dell'acido solforico concentrato. Il secondo tipo di cambiamento è associato all'assorbimento di energia termica. Esempi di reazioni endotermiche: decadimento carbonato di calcio con l'educazione calce idrata e anidride carbonica la formazione di idrogeno e carbonio durante la decomposizione termica del metano. Nelle equazioni dei processi esotermici ed endotermici, è necessario indicare l'effetto termico. La ridistribuzione degli elettroni tra gli atomi delle sostanze che reagiscono avviene nelle reazioni redox. Quattro tipi di processi chimici si distinguono per le caratteristiche dei reagenti e dei prodotti:

• composto A + B = C;
• decomposizione di C = A + B;
• sostituzione AB + C = AC + B;
• scambio AB + SD = AC + VD.

Per caratterizzare i processi, la completezza dell'interazione dei composti reattivi è importante. Questa caratteristica è alla base della divisione delle reazioni in reversibile e irreversibile.

Reversibilità delle reazioni

I processi reversibili costituiscono la maggior parte dei fenomeni chimici. La formazione di prodotti finali da reagenti è una reazione diretta. Nel verso, le sostanze originali sono ottenute dai prodotti della loro decomposizione o sintesi. Un equilibrio chimico si verifica nella miscela reagente, alla quale si ottengono tanti composti quando le molecole iniziali si decompongono. Nei processi reversibili, invece del segno "=" tra reagenti e prodotti, vengono utilizzati i simboli "↔" o "⇌". Le frecce possono essere diseguali in lunghezza, a causa del dominio di una delle reazioni. Nelle equazioni chimiche, si possono indicare le caratteristiche aggregative delle sostanze (d - gas, g - liquidi, t - solido). Di grande importanza pratica sono i metodi di influenza scientificamente fondati sui processi reversibili. Così, la produzione di ammoniaca divenne redditizia dopo la creazione di condizioni che spostano l'equilibrio verso la formazione del prodotto target: 3H _{2 (g)} + N _{2 (g)} 2NH _{3 (g)} . I fenomeni irreversibili portano alla comparsa di un composto insolubile o scarsamente solubile, la formazione di un gas che lascia la sfera di reazione. Questi processi includono lo scambio ionico, la decomposizione di sostanze.

Equilibrio chimico e condizioni per il suo spostamento

Le caratteristiche dei processi diretti e inversi sono influenzate da diversi fattori. Uno di questi è il tempo. La concentrazione della sostanza presa per la reazione diminuisce gradualmente e quella del composto finale aumenta. La reazione della direzione in avanti è più lenta, il processo inverso sta guadagnando velocità. Ad un certo intervallo, due processi opposti vanno in sincrono. L'interazione tra sostanze avviene, ma le concentrazioni non cambiano. La ragione è l'equilibrio chimico dinamico stabilito nel sistema. La sua conservazione o il cambiamento dipende da:

• condizioni di temperatura;
• concentrazioni di composti;
• pressione (per i gas).

Dislocamento di equilibrio chimico

Nel 1884, uno straordinario scienziato francese, A. L. Le Chatelier, propose una descrizione di come ottenere un sistema da uno stato di equilibrio dinamico. Il metodo si basa sul principio di livellare l'azione di fattori esterni. Le Chatelier ha notato che nella miscela reagente ci sono processi che compensano l'influenza delle forze estranee. Il principio formulato da un ricercatore francese afferma che un cambiamento delle condizioni in uno stato di equilibrio favorisce la reazione, che indebolisce l'effetto estraneo. Lo spostamento all'equilibrio obbedisce a questa regola, si osserva quando la composizione, le condizioni di temperatura e la pressione cambiano. Le tecnologie basate sulle scoperte degli scienziati sono usate nell'industria. Molti processi chimici, che sono stati considerati praticamente impraticabili, vengono eseguiti grazie a metodi di spostamento dell'equilibrio.

Effetto della concentrazione

Uno spostamento nell'equilibrio si verifica quando alcuni componenti vengono rimossi dalla zona di interazione o vengono introdotte porzioni aggiuntive della sostanza. La rimozione dei prodotti dalla miscela di reazione causa solitamente un aumento nella velocità della loro formazione, l'aggiunta di sostanze, al contrario, porta alla loro decomposizione preferenziale. Nel processo di esterificazione per l'uso di disidratazione acido solforico. Quando introdotto nella sfera di reazione, la resa di metil acetato aumenta: CH ₃ COOH + CH ₃ OH О CH ₃ COOCH ³ + H ₂ O. Se aggiungi ossigeno che interagisce con anidride solforosa, Questo equilibrio chimico si sposta verso la reazione diretta della formazione di triossido di zolfo. L'ossigeno si lega alle molecole di SO ₃ , la sua concentrazione diminuisce, il che è coerente con la regola di Le Chatelier per i processi reversibili.

Cambio di temperatura

I processi con assorbimento o generazione di calore sono endo- ed esotermici. Per spostare l'equilibrio, viene utilizzato il calore o il calore della miscela di reazione. Un aumento della temperatura è accompagnato da un aumento del tasso di fenomeni endotermici in cui viene assorbita energia supplementare. Il raffreddamento porta al vantaggio dei processi esotermici, con il rilascio di calore. Quando il biossido di carbonio interagisce con il carbone, il riscaldamento è accompagnato da un aumento della concentrazione di monossido e il raffreddamento porta alla formazione predominante di nerofumo: CO _{2 (g)} + C _(t) 2CO _(g) .

Effetto di pressione

Il cambiamento di pressione è un fattore importante per la reazione di miscele che includono composti gassosi. Si dovrebbe anche prestare attenzione alla differenza nei volumi delle sostanze originali e risultanti. La diminuzione della pressione porta a un decorso predominante di fenomeni in cui aumenta il volume totale di tutti i componenti. L'aumento della pressione dirige il processo verso la riduzione del volume dell'intero sistema. Questo schema è osservato nella reazione di formazione di ammoniaca: 0,5 N _{2 (g)} + 1,5 H _{2 (g)} ⇌ NH _{3 (g)} . Il cambiamento di pressione non influenzerà l'equilibrio chimico in quelle reazioni che si verificano a un volume costante.

Condizioni ottimali per l'implementazione del processo chimico

Creare le condizioni per spostare l'equilibrio determina in gran parte lo sviluppo delle moderne tecnologie chimiche. L'uso pratico della teoria scientifica contribuisce ad ottenere risultati di produzione ottimali. L'esempio più eclatante è la produzione di ammoniaca: 0,5 N _{2 (g)} + 1,5 H _{2 (g)} ⇌ NH _{3 (g)} . Un aumento del contenuto di molecole N ₂ e H ₂ nel sistema è favorevole per la sintesi di una sostanza complessa da quelle semplici. La reazione è accompagnata dal rilascio di calore, quindi la riduzione della temperatura causerà un aumento della concentrazione di NH ₃ . Il volume dei componenti iniziali è maggiore del prodotto target. L'aumento della pressione aumenterà la resa di NH ₃ .

Nelle condizioni di produzione, viene selezionato un rapporto ottimale di tutti i parametri (temperatura, concentrazione, pressione). Inoltre, l'area di contatto tra i reagenti è importante. In sistemi solidi eterogenei, l'aumento della superficie porta ad un aumento della velocità di reazione. I catalizzatori aumentano il tasso di reazioni dirette e inverse. L'uso di sostanze con tali proprietà non sposta l'equilibrio chimico, ma ne accelera l'inizio.