Химиялық тепе-теңдік

                       

 

 

                          

                             Жоспар:

 

1. Кіріспе.

 

2. Негізгі бөлім.

 

1. Химиялық тепе-теңдік.

 

2. Химиялық тепе-теңдіктің ығысуы.

 

 

• Концентрацияның әсері.

 

• Қысымның әсері.

 

• Температураның әсері.

 

3. Ле Шателье принципі.

 

3. Қорытынды.

 

4. Пайдаланылған әдебиеттер тізімі.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                               1.Химиялық тепе-теңдік.

    Нәтижесінде бастапқы заттар (реагенттер) толығымен реакция өнімдеріне айналатын химиялық реакцияларды  қайтымсыз реакциялар деп атайды. Бір мезгілде қарама-қарсы бағытта (тура және кері) жүретін реакцияларды қайтымды реакциялар деп атайды.

     Кез келген  қайтымды реакция үшін бастапқы  сәтте әрекеттесуші массалар  заңына сәйкес тура реакцияның  жылдамдығы максимал мәнді, ал  кері реакцияның жылдамдығы нөлге тең. Уақыт өте келе бастапқы заттардың концентрациялары кемиді, ал өнімдерінің концентрациялары артады. Демек, тура реакцияның жылдамдығы кемиді, кері реакцияның жылдамдығы артады. Ерте ме, кеш пе тура және кері реакцияның жылдамдықтары теңесетін кезең болады, ол кезде жүйеде тепе-теңдік күй орнайды. Оның жалпы химиялық теңдеуі:

 

аА + bB      cC + dD

 

      Тура және кері  реакциялардың  жылдамдықтары тең болғандағы  жүйенің күйін химиялық тепе-теңдік деп атайды.

     Тепе-теңдік  орнаған кезеңдегі әрекеттесуші  заттардың концентрацияларын тепе-теңдік концентрациялары деп атайды. Әдетте олар моль/л-мен өрнектеліп, квадрат жақшада беріледі, мысалы, [А], [В], [С], [D] және т.б. Химиялық тепе-теңдік бұзылғанға дейін олардың мәндері өзгеріссіз қалады.

     Қайтымды реакциялар  жағдайында бастапқыда заттардың   реакция өнімдеріне айналу дәрежесі химиялық тепе-теңдік күйімен анықталады, оның сипаттамасы химиялық тепе-теңдік константасы (К) болып табылады. Ол сан жағынан реакция өнімдерінің тепе-теңдік концентрацияларының  көбейтіндісін бастапқы заттардың тепе-теңдік концентрацияларының  көбейтіндісіне бөлгенге тең. Тура және кері реакциялардың жылдамдық константаларының қатынасы кері реакцияға қарағанда  тура реакция қанша есе жылдам жүретінін көрсетеді.

     Әрекеттесуші  массалар заңына сәйкес тура ( υ_тура ) және кері ( υ_кері ) реакцияның жылдамдықтары мына теңдеулермен өрнектеледі:

 

 

υ_тура = k_тура [А]^а [В]^b,

 

υ_кері = k_кері [C]^c [D]^d.

 

     Тепе-теңдік  кезінде тура және кері реакциялардың  жылдамдықтары бір-біріне тең,  демек:

 

 

k_тура [А]^а [В]^b = k_кері [C]^c [D]^d ,

 

осыдан,

 

 

    

       Мысалы, 2SO₂ + O₂  2SO₃   реакциясы үшін

 

 

К = .

 

    Әрбір қайтымды  реакция берілген температурада  бастапқы заттардың реакция өнімдеріне  айналуын анықтайтын тепе-теңдік  константасының белгілі мәнімен  сипатталады. К >> 1 кезінде  алынған заттардың концентрацияларының көбейтіндісі бастапқы заттардың концентрацияларының көбейтіндісінен көп есе артық болады. К << 1 кезінде, керісінше реакция өнімдерінің шығымы өте аз. Бірінші жағдайда жүйенің тепе-теңдігі реакция өнімінің түзілу жағына қарай ығысқан, екінші жағдайда – бастапқы заттарға қарай ығысқан.

     Химиялық тепе-теңдік  кезінде бастапқы заттар мен  реакция өнімдерінің концентрациялары  өзгеріссіз қалады. Бірақ химиялық  тепе-теңдікті  статикалық деп ұғынуға болмайды. Қайтымды реакциялар әдетте аяғына дейін бармайды. Тура және кері реакциялар тепе-теңдікке жеткеннен кейін де жүріп жатады, бірақ олардың жылдамдықтары бірдей болғандықтан, жүйедегі өзгерістер байқалмайды. Сондықтан тепе-теңдік динамикалық деп аталады.

     Сонымен тұрақты  температура кезінде қайтымды  реакцияның тепе-теңдік константасы  тепе-теңдік кезінде айқындалатын  реакция өнімдерінің (алымы) концентрациялары  мен бастапқы заттардың (бөлімі) арасындағы арақатынасты көрсететін  тұрақты шама.

     Тепе-теңдік  константасының теңдеуі тепе-теңдік  жағдайында реакцияға қатысатын  барлық заттардың концентрациялары өзара байланысты екенін көрсетеді. Кез келген осы заттың концентрациясының өзгерісі барлық қалған заттардың концентрацияларының өзгеруіне әкеледі, бірақ жаңа тепе-теңдік константасымен сипатталады.

     Гетерогенді  реакциялардың тепе-теңдік константасының  өрнегіне тек қана газ немесе  сұйық фазадағы заттардың концентрациялары  кіреді.

    Тепе-теңдік константасымен шамасы әрекеттесуші заттардың табиғаты мен температураға тәуелді. Катализатор тура және кері реакциялардың белсендіру энергияларын бірдей шамаға өзгертетіндіктен, ол жылдамдық константаларының қатынасына әсер етпейді. Демек, реакция шығымын арттырмайды және кемітпейді. Ол тек қана тепе-теңдіктің орнауын тездетеді.

 

 

                      2.Химиялық тепе-теңдіктің ығысуы.

 

   Егер тепе-теңдік күйдегі жүйенің жағдайы өзгерсе, онда жүйе тепе-теңдіктен шығады. Көбіне тепе-теңдіктің бұзылуы тепе-теңдікте тұрған  заттардың біреуінің концентрациясының, қысымның немесе температураның өзгеруі салдарынан болады.

    Концентрацияның әсері. Жай заттардан йодсутек синтезінің қайтымды реакциясын қарастырайық:

 

Н_2(г) + I_2(г) 2HI_(г)

 

    Сутек, йод буы  және йодсутек белгілі температурада  және қысымда бір-бірімен тепе-теңдікте  болсын. Жүйеге қосымша сутектің біраз мөлшерін енгізейік. Әсер етуші массалар заңына сәйкес, сутек  концентрациясының артуы тура реакцияның жылдамдығын арттырады. Енді реакция тура бағыттағыға қарағанда кері бағытта жылдамырақ жүреді. Нәтижесінде сутек және йод буының концентрациялары кемиді де, тура реакция баяулай бастайды, сөйтіп HI концентрациясы арта түсетіндіктен кері реакция жылдамдайды. Біраз уақыттан кейін тура және кері реакциялардың жылдамдығы қайтадан теңеседі де жаңа тепе-теңдік орнайды. Әрине бұл кезде HI концентрациясы сутекті қосқанға дейінгі концентрациядан жоғары, ал I₂ концентрациясы төмен болады.

     Тепе-теңдіктің бұзылуынан болған концентрацияның өзгеру процесін тепе-теңдіктің ығысуы немесе жылжуы деп атайды.

     Егер бұл  кезде теңдеудің оң жағында  тұрған заттардың концентрациялары  артса (және осы уақытта сол  жағында тұрған заттардың концентрациялары кемісе), тепе-теңдік оңға ығысады, яғни тура реакцияның бағытында жүреді; концентрация азайғанда тепе-теңдік солға, яғни кері реакцияның бағытына қарай ығысады. Қарастырылған мысалда тепе-теңдік оңға ығысқан. Бұл кезде концентрациясы артып, тепе-теңдікті бұзған – Н₂ реакцияға түседі де, оның концентрациясы төмендейді.

     Химиялық тепе-теңдікке  әрекеттесуші заттардың концентрацияларының әсерін бақылау үшін темір (III) хлориді мен аммоний (немесе калий) тиоцианатының ерітінділерінің әрекеттесуін қолданған қолайлы.

 

FeCl₃ + 3KCNS Fe(CNS)₃ + 3KCl

 

     Темір хлоридінің сұйылтылған ерітіндісі қызғылт сары түсті. Аммоний тиоцианатының  және аммоний хлоридінің ерітінділері – түссіз. Бұл жүйеде жалғыз қосылыс - темір (III) тиоцианаты – қан қызыл түсті. Оның түсінің өзгеру қарқындылығына байланысты тепе-теңдіктің қай жаққа ығысқанын байқауға болады.

     Сонымен тепе-теңдікке  қатысатын қандай да бір заттың  жұмсалуы жағына ығысады; қандай  да бір заттың концентрациясын  кеміткенде тепе-теңдік сол заттың  түзілу жағына қарай ығысады.

       Қысымның әсері. Жүйедегі тепе-теңдікті қысымды  (жүйенің көлемін ұлғайту, кішірейту арқылы немесе жүйеге оның қысымын ұлғайтатын газ тектес реагенттер енгізу ) өзгерту арқылы ығыстыруға болады. Бұл жағдай реакцияға газдар қатысқанда байқалады.

     Азот монооксиді  мен оттектің арасындағы реакцияға  қысымның әсерін ығыстырайық:

 

2NO + O_{2 2NO2}

 

     Белгілі температурада және қысымда NO, O₂ және NO₂  газдарының қоспасы химиялық тепе-теңдікте болады дейік. Температураны өзгертпей, жүйенің көлемі 2 есе кемуі үшін қысымды арттырайық. Бірінші кезеңде барлық газдардың қысымдары мен концентрациялары екі есе өседі, бірақ бұл кезде тура және кері реакциялардың  жылдамдықтарының арасындағы арақатынас өзгереді – тепе-теңлік бұзылады. Әсер етуші массалар заңы бойынша есептеулер қысымды 2 есе арттыру нәтижесінде  тура  реакцияның жылдамдығы 8 есе, ал кері реакцияның жылдамдығы тек 4 есе өсетінін көрсетеді. Демек, кері реакцияға қарағанда тура реакция жылдамырақ жүреді. Біраздан соң жылдамдықтары теңескенде, қайтадан тепе-теңдік орнайды.

     Тура және  кері реакция жылдамдықтарының  бірдей өзгермеуі  қарсатырылған  реакция теңдеуінің сол және  оң бөліктеріндегі газ молекулалары  сандарының әр түрлі болуымен  байланысты екенін көру  қиын  емес: бір молекула оттек пен  екі молекула азот монооксиді (барлығы үш молекула) азот диоксиді  газының  екі молекуласына  айналды. Әдетте газ молекуласы  санының артуымен жүретін реакция  қысымның артуына, ал газдың  молеукласы санының кемуімен жүретін реакцияда қысымның төмендеуіне әкеледі. Осыны ескеріп, химиялық тепе-теңдікке қысымның әсері туралы қорытындыны былай тұжырымдауға болады: жүйенің қысымын арттырғанда тепе-теңдік газ молекуласы санының азаюы жағына, яғни қысымның төмендеу жағына ығысады; қысымды кеміткенде тепе-теңдік газ молекуласы санының көбеюі жағына, яғни қысымның артуы жағына ығысады.

        Егер реакция газ молекуласы санының өзгеруінсіз жүрсе, жүйені ұлғайтқанда немесе сыққанда тепе-теңдік бұзылмайды. Мысалы, мынадай жүйеде:

 

Н₂ + I_{2  2HI}

көлем өзгергенде  тепе-теңдік бұзылмайды; HI шығымы қысымға тәуелсіз.

         

         Температураның әсері. Көптеген химиялық реакциялардың тепе-теңдігі  температураны өзгерткенде ығысады. Тепе-теңдіктің ығысу бағытын анықтайтын фактор реакцияның жылу эффектінің белгісі болып табылады.

     Температураны көтергенде тепе-теңдік эндотермиялық, ал төмендеткенде – экзотермиялық реакция бағытына қарай ығысады.

     Мысалы, аммиак  синтезі экзотермиялық реакция  болып табылады:

 

N₂ + 3H_{2  2NH3}       ∆H˚ =  ̶ 92,4 кДж,

 

Сондықтан температураны  көтергенде жүйедегі тепе-теңдік сол  жаққа, яғни аммиактың ыдырауы жағына ығысады, өйткені бұл процесс  жылуды сіңіру арқылы жүреді.

      Керісінше  аммиактың ыдырауы эндотермиялық  реакция болып табылады, сондықтан  температураны көтергенде жүйедегі  тепе-теңдік оң жаққа, азот  пен сутектің түзілуі жағына  ығысады.

 

 

                              3.Ле Шателье принципі.

 

     Химиялық тепе-теңдіктің  бұзылуын сипаттайтын заңдылықтар,  тепе-теңдіктегі жүйелерге әр түрлі факторлардың әсерін анықтайтын жалпы принциптің дербес жағдайы болып табылады. Бұл принцип Ле Шателье принципі деген атаумен белгілі. Оның химиялық тепе-теңдікке қолданылуын былай тұжырымдауға болады: егер тепе-теңдіктегі жүйеге қандай да бір әсер етсек, онда өтетін процестердің нәтижесінде тепе-теңдік сол әсердің кемитін бағытына қарай ығысады.

      Шындығында, жүйеге реакцияға қатысатын заттардың  біреуін енгізгенде тепе-теңдік  сол заттың жұмсалуы жағына  ығысады. Қысымды көтергенде ол  жүйеде қысым төмендейтін жаққа  ығысады. Температураны көтергенде  тепе-теңдік эндотермиялық реакция жағына ығысады – жүйедегі температура төмендейді.

      Ле Шателье  принципі тек химиялық тепе-теңдікке  емес, әр түрлі физика-химиялық  тепе-теңдіктерге де қолданылады.  Тепе-теңдіктің ығысуы қайнау, кристалдану,  еру сияқты процестер өзгергенде  Ле Шателье  принципіне сәйкес жүреді.

      Ле Шателье принципін 1885 жылы А.Ле Шателье (1850-1936) тұжырымдап, ал теориялық тұрғыдан 1887 жылы К.Ф.Браун (1850-1918) негіздеген.

 

 

                                  

                                           Қорытынды.

 

     Қайтымды реакциялар жүргенде тура және кері реакциялардың жылдамдықтарының теңелуі нәтижесінде жүйеде тепе-теңдік орнайды. Тепе-теңдік берілген температурада тепе-теңдік константасының мәні арқылы сипатталады.

      Химиялық  тепе-теңдіктің ығысуын лабараториялар  мен химиялық зауыттарда химиялық  реакцияларды жүргізгенде кеңінен  қолданады. Қымбаттау зат реакцияға  толығырақ түсу үшін арзандау  затты артық мөлшерде алған  жөн.

      Тепе-теңдіктің  ығысуы деп жүйедегі жағдай  өзгергенде реагенттер мен өнімдердің концентрацияларының арақатынасының өзгеруін айтады. Ығысу бағыты Ле Шателье принципімен анықталады: тепе-теңдікте тұрған жүйеге қандай да бір әсер етсе, тепе-теңдік сол әсерді азайтатын реакция бағытына ығысады.

 

 

 

 

 

                  Пайдаланылған әдебиеттер тізімі.

 

Нұрахметов Н., Бекішов  Қ., Заграничная Н., Химия 10-сынып

Бірімжанов Б.А., Нұрахметов Н.Н.,  Жалпы химия