§ 87. Химическое равновесие

По мере протекания химической реакции количества исходных веществ уменьшаются и накапливаются продукты реакции. В конце концов реакция приводит к состоянию, з котором количества всех веществ дальше уже не меняются. Это состояние называется химическим равновесием и является одним из случаев теплового равновесия.

При химическом равновесии наряду с образовавшимися в результате реакции продуктами остается, вообще говоря, еще и некоторое количество исходных веществ. Правда, во многих случаях это количество оказывается очень незначительным, но это, конечно, не меняет принципиальной стороны вопроса.

Установление химического равновесия, в котором присутствуют как начальные, так и конечные вещества, происходит по следующей причине. Рассмотрим, например, реакцию между газообразными водородом и йодом с образованием йодистого водорода:

Наряду с образованием HI из Н2 и 12 в смеси этих трех веществ неизбежно происходит и обратный процесс разложения HI на водород и йод: одновременно с прямой реакцией всегда происходит и обратная. По мере возрастания количества HI и убывания количеств Н2 и 12, очевидно, прямая реакция замедляется, а обратная ускоряется. Наконец, наступает момент, когда скорости обеих реакций сравниваются: сколько новых молекул HI образуется, столько же их за то же время и разлагается; в дальнейшем количества всех веществ уже не будут меняться.

Таким образом, с молекулярной точки зрения химическое равновесие (как, впрочем, и другие виды теплового равновесия) имеет подвижный характер — реакции, по существу, не прекращаются, но прямая и обратная реакции протекают со взаимно компенсирующимися скоростями.

Очевидно, что если в приведенном примере реакция начиналась бы со смеси водорода и йода, то относительные количества всех трех веществ в состоянии равновесия были бы теми же, что и при реакции, начинающейся с разложения чистого HI. Положение химического равновесия не зависит от того, с какой стороны оно достигается.

Более того, химическое равновесие не зависит и от условий протекания реакций и от того, через какие промежуточные этапы она идет. Положение равновесия зависит только от состояния, в котором находится вещество в самом равновесии,— от температуры равновесной смеси и от ее давления.

С изменением температуры положение химического равновесия смещается. Направление этого смещения тесно связано с тепловым эффектом реакции, в чем легко убедиться с помощью принципа Ле Шателье. Рассмотрим какую-либо экзотермическую реакцию, например, образование аммиака из азота и водорода (N2-i-3H2=2NH3). Предположим, что реакция уже пришла в состояние равновесия, и пусть равновесная смесь подвергается нагреванию. Тогда в ней должны начаться процессы, ведущие к ее охлаждению: некоторое количество аммиака должно разложиться, в результате чего произойдет поглощение тепла. Это значит, что химическое равновесие сдвигается в сторону уменьшения количества аммиака.

Таким образом, «выход» экзотермических реакций уменьшается при повышении температуры, у эндотермических же реакций, наоборот, при повышении температуры выход увеличивается.

Аналогичным образом зависимость положения равновесия от давления связана с изменением объема, которым сопровождается реакция (протекающая при постоянном давлении). Повышение давления понижает выход реакций, связанных с увеличением объема реагирующей смеси, и повышает выход реакций, связанных с уменьшением объема. Последний случай имеет место, например, для реакции образования газообразного аммиака: поскольку число образующихся молекул NH3 меньше числа вступающих в реакцию молекул N2 и Н2, то объем газовой смеси при реакции уменьшается.