1 of 39 © Boardworks Ltd 2007
Most chemical reactions are considered irreversible – the products that are made cannot readily be changed back into their reactants. Необратимые реакции – реакции, которые идут в одном направлении. Реакции, в которых исходные вещества полностью превращаются в конечные продукты реакции. For example, when wood burns it is impossible to turn it back into unburnt wood again! Например, когда дерево горит невозможно, чтобы превратить его обратно снова в несгоревшее дерево!
Необратимые - это реакции, которые идут до конца, при этом образуется: • - осадок; • - выделяется газ; • - образуется мало диссоциирующее вещество, например, вода.
CONCENTRATION CHANGE IN A REACTION Изменение концентрации As the rate of reaction is dependant on the concentration of reactants. . . the forward reaction starts off fast but slows as the reactants get less concentrated FASTEST AT THE START THE STEEPER THE GRADIENT, THE FASTER THE REACTION In an ordinary reaction; all reactants end up as products; there is 100% conversion 4 of 39 SLOWS DOWN AS REACTANTS ARE USED UP TOTAL CONVERSION TO PRODUCTS © Boardworks Ltd 2007
What are reversible reactions? Reversible reactions occur when the backwards reaction (products reactants) takes place relatively easily under certain conditions. The products turn back into the reactants. A + (reactants) B C + D (products) For example, during a reversible reaction reactants A and B react to make products C and D. However, products C and D can also undergo the reverse reaction, and react together to form reactants A and B. 5 of 39 © Boardworks Ltd 2007
Обратимые химические реакции которые протекают одновременно в двух противоположных направлениях - прямом и обратном. A + B (реагенты) C + D (продукты) При взаимодействии реагентов А и В образуются продукты реакции С и D. И обратно протекает реакция между С и D с образованием А+В 6 of 39 © Boardworks Ltd 2007
Heating ammonium chloride An ammonium salt can be made by reacting ammonia with an acid. Some of the salt will decompose back into the reactants when heated. ammonia + hydrogen chloride NH 3 (g) + HCl (g) NH 4 Cl decomposes back into NH 3 and HCl gases when heated 7 of 39 ammonium chloride NH 4 Cl (s) NH 4 Cl reforms in the cooler part of the test tube © Boardworks Ltd 2007
• Соли аммония получают взаимодействием аммиака с кислотой. Некоторые соли разлагаются обратно при нагревании. ammonia + hydrogen chloride NH 3 (g) + HCl (g) ammonium chloride NH 4 Cl (s) • NH 4 Cl образуется при обычных условиях • NH 4 Cl разлагается обратно в NH 3 и HCl газов при нагревании 8 of 39 © Boardworks Ltd 2007
• Состояние системы, при котором скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции, называют химическим равновесием. • Однако состояние химического равновесия сохраняется до тех пор, пока остаются неизменными условия реакции: концентрация, температура и давление.
EQUILIBRIUM REACTIONS Initially, there is no backward reaction but, as products form, it speeds up and provided the temperature remains constant there will come a time when the backward and forward reactions are equal and opposite; the reaction has reached equilibrium. FASTEST AT THE START NO BACKWARD REACTION FORWARD REACTION SLOWS DOWN AS REACTANTS ARE USED UP BACKWARD REACTION STARTS TO INCREASE In an equilibrium reaction, not all the reactants end up as products; there is not a 100% conversion. BUT IT DOESN’T MEAN THE REACTION AT EQUILIBRIUM THE BACKWARD AND FORWARD REACTIONS ARE EQUAL AND OPPOSITE IS STUCK IN THE MIDDLE 10 of 39 © Boardworks Ltd 2007
DYNAMIC EQUILIBRIUM IMPORTANT REMINDERS • a reversible chemical reaction is a dynamic process • everything may appear stationary but the reactions are moving both ways • the position of equilibrium can be varied by changing certain conditions Trying to get up a “down” escalator gives an excellent idea of a non-chemical situation involving dynamic equilibrium. Summary When a chemical equilibrium is established. . . • both the reactants and the products are present at all times • the equilibrium can be approached from either side • the reaction is dynamic - it is moving forwards and backwards • the concentrations of reactants and products remain constant 11 of 39 © Boardworks Ltd 2007
Принцип Ле-Шателье определяет LE CHATELIER’S PRINCIPLE • Если на систему, находящуюся в равновесии оказали внешнее воздействие, то равновесие в системе сместится в сторону обратную этому воздействию. ”When a change is applied to a system in dynamic equilibrium, the system reacts in such a way as to oppose the effect of the change. ”
Анри Луи Ле Шателье • Анри Луи Ле Шателье (1850 -1936), французский физико-химик и металловед. Принцип смещения химических равновесий – самое известное, но далеко не единственное научное достижение Ле Шателье. Он ещё изобрел способы приготовления разных видов цемента, термопару для измерения высокой температуры и способ получения аммиака из водорода и азота.
• В химическом производстве, для получения многих веществ в качестве исходного вещества берут аммиак. • N 2 + 3 H 2 ↔ NH 3, но образовавшись аммиак тут же разлагается на исходные вещества.
FACTORS AFFECTING THE POSITION OF EQUILIBRIUM SUMMARY REACTANTS PRODUCTS THE EFFECT OF CHANGING THE CONCENTRATION ON THE POSITION OF EQUILIBRIUM INCREASE CONCENTRATION OF A REACTANT EQUILIBRIUM MOVES TO THE RIGHT DECREASE CONCENTRATION OF A REACTANT EQUILIBRIUM MOVES TO THE LEFT INCREASE CONCENTRATION OF A PRODUCT EQUILIBRIUM MOVES TO THE LEFT DECREASE CONCENTRATION OF A PRODUCT EQUILIBRIUM MOVES TO THE RIGHT Predict the effect of increasing the concentration of O 2 on the equilibrium position 2 SO 2(g) + O 2(g) 2 SO 3(g) EQUILIBRIUM MOVES TO RHS Predict the effect of decreasing the concentration of SO 3 on the equilibrium position 15 of 39 EQUILIBRIUM MOVES TO RHS © Boardworks Ltd 2007
FACTORS AFFECTING THE POSITION OF EQUILIBRIUM PRESSURE When studying the effect of a change in pressure, we consider the number of gaseous molecules only. The more particles you have in a given volume, the greater the pressure they exert. If you apply a greater pressure they will become more crowded (i. e. they are under a greater stress). However, if the system can change it will move to the side with fewer gaseous molecules - it is less crowded. THE EFFECT OF PRESSURE ON THE POSITION OF EQUILIBRIUM No change occurs when equal numbers of gaseous molecules appear on both sides. INCREASE PRESSURE MOVES TO THE SIDE WITH FEWER GASEOUS MOLECULES DECREASE PRESSURE MOVES TO THE SIDE WITH MORE GASEOUS MOLECULES Predict the effect of an increase of pressure on the equilibrium position of. . 2 SO 2(g) + O 2(g) 2 SO 3(g) MOVES TO RHS : - fewer gaseous molecules NO CHANGE: - equal numbers on both sides H 2(g) + CO 2(g) 16 of 39 CO(g) + H 2 O(g) © Boardworks Ltd 2007
FACTORS AFFECTING THE POSITION OF EQUILIBRIUM TEMPERATURE • temperature is the only thing that can change the value of the equilibrium constant. • altering the temperature affects the rate of both backward and forward reactions • it alters the rates to different extents • the equilibrium thus moves producing a new equilibrium constant. • the direction of movement depends on the sign of the enthalpy change. 17 of 39 © Boardworks Ltd 2007
• 1) Влияние концентрации – если увеличить концентрацию исходных веществ, то равновесие смещается в сторону образования продуктов реакции.
• 2) Влияние температуры – увеличение температуры смещает равновесие в сторону эндотермической реакции. • Какие реакции называются эндо-, а какие экзотермическими?
• 3) Влияние давления (только для газообразных веществ) – при увеличении давления, равновесие смещается в сторону образования веществ, занимающих меньший объём. • Итак, при повышении давления равновесие смещается в сторону уменьшения объема, при понижении давления – в сторону увеличения объёма. • Изменение давления не сказывается на объёме твердых и жидких веществ. Следовательно, равновесие реакций, в которых газы не участвуют, практически не зависит от давления.
Opposing change Whenever a change is made to a reversible reaction in dynamic equilibrium, the equilibrium will shift to try and oppose the change. Condition Effect Temperature Increasing the temperature shifts the equilibrium in the direction that takes in heat. Concentration Increasing the concentration of a substance shifts the equilibrium in the direction that produces less of that substance. Pressure 21 of 39 Increasing the pressure shifts the equilibrium in the direction that produces less gas. © Boardworks Ltd 2007
Exothermic and endothermic reactions All reactions are exothermic (give out heat) in one direction and endothermic (take in heat) in the other. If the temperature is increased: l equilibrium shifts to decrease the temperature l equilibrium shifts in the endothermic direction If the temperature is decreased: l equilibrium shifts to increase the temperature l equilibrium shifts in the exothermic direction 22 of 39 © Boardworks Ltd 2007
Opposing changes in temperature Nitrogen dioxide is in constant equilibrium with dinitrogen tetroxide. The forward reaction is exothermic and the backwards reaction is endothermic. nitrogen dioxide dinitrogen tetroxide 2 NO 2 (g) N 2 O 4 (g) What will happen if the temperature is increased? l The equilibrium will shift to decrease the temperature, i. e. to the left (endothermic). l More NO 2 will be produced. If the temperature is decreased, more N 2 O 4 will be produced. 23 of 39 © Boardworks Ltd 2007
Concentration and equilibrium Changing the concentration of a substance affects the equilibrium of reversible reactions involving solutions. increasing the concentration of substance A decreasing the concentration of substance A 24 of 39 = = equilibrium shifts to decrease the amount of substance A equilibrium shifts to increase the amount of substance A © Boardworks Ltd 2007
Opposing changes in concentration (1) Bismuth chloride reacts with water to produce a white precipitate of bismuth oxychloride and hydrochloric acid. bismuth chloride + Bi. Cl 3 (aq) + water bismuth oxychloride + hydrochloric acid H 2 O (l) Bi. OCl (s) + 2 HCl (aq) What will happen if more H 2 O is added? l The equilibrium will shift to decrease the amount of water, i. e. to the right. l More Bi. OCl and HCl will be produced. If H 2 O is removed, more Bi. Cl 3 and H 2 O will be produced. 25 of 39 © Boardworks Ltd 2007
Pressure and equilibrium Changing the pressure has an effect on the equilibrium of reversible reactions involving gases. If the pressure is increased: l equilibrium shifts to decrease the pressure l equilibrium shifts in the direction of fewest molecules If the pressure is decreased: l equilibrium shifts to increase the pressure l equilibrium shifts in the direction of most molecules 26 of 39 © Boardworks Ltd 2007
Opposing changes in pressure Nitrogen dioxide is in constant equilibrium with dinitrogen tetroxide. Two molecules of nitrogen dioxide react to form one molecule of dinitrogen tetroxide. nitrogen dioxide dinitrogen tetroxide 2 NO 2 (g) N 2 O 4 (g) What will happen if the pressure is increased? l The equilibrium will shift to reduce the number of molecules, i. e. to the right (only 1 molecule). l More N 2 O 4 will be produced. If the pressure is decreased, more NO 2 will be produced. 27 of 39 © Boardworks Ltd 2007
• На течение химической реакции влияют вещества – катализаторы. Но при использовании катализатора понижается энергия активации как прямой, так и обратной реакции на одну и ту же величину и поэтому равновесие не смещается.
Задача • Укажите, как повлияет: • а) повышение давления; • б) повышение температуры; • в) увеличение концентрации кислорода на равновесие системы: • 2 CO (г) + O 2 (г) ↔ 2 CO 2 (г) + Q
Решение: • а) Изменение давления смещает равновесие реакций с участием газообразных веществ (г). Определим объёмы газообразных веществ до и после реакции по стехиометрическим коэффициентам: По принципу Ле Шателье, при увеличении давления, равновесие смещается в сторону образования веществ, занимающих меньший объём, следовательно равновесие сместится вправо, т. е. в сторону образования СО 2, в сторону прямой реакции (→).
• б) По принципу Ле Шателье, при повышении температуры, равновесие смещается в сторону эндотермической реакции (-Q), т. е. в сторону обратной реакции – реакции разложения СО 2 (←), т. к. по закону сохранения энергии: • Q - 2 CO (г) + O 2 (г) ↔ 2 CO 2 (г) + Q
• в) При увеличении концентрации кислорода равновесие системы смещается в сторону получения СО 2 (→) т. к. увеличение концентрации реагентов (жидких или газообразных) смещает в сторону продуктов, т. е. в сторону прямой реакции.
Glossary l closed system – A system in which reactants and l l l products cannot be added or removed once the reaction has begun. dynamic – An equilibrium in which the forward and backward reactions take place at the same rate, so no overall change takes place. Haber process – The industrial-scale process for making ammonia from nitrogen and hydrogen. irreversible – A reaction that is impossible or very difficult to reverse. reversible – A reaction in which the product(s) can be turned back into the reactants. yield – The amount of product obtained from a reaction, usually expressed as a percentage. 33 of 39 © Boardworks Ltd 2007
34 of 39 © Boardworks Ltd 2007