§ Х-6 Хімічна рівновага та принцип Ле Шательє (система N₂O₄ ⇄ 2NO₂) (9–11 клас · Хімія)
Динамічна рівновага димеризації, константа Kₚ та зміщення під дією T і P. Якщо на систему, що перебуває в стані хімічної рівноваги, подіяти зовнішнім чинником, рівновага зміщується в напрямку процесу, який послаблює цю дію.
Теоретичний конспект і фізико-хімічний механізм
Оборотні хімічні реакції протікають одночасно у прямому й зворотному напрямках. На прикладі димерно-мономерної системи N₂O₄(г, безбарвний) ⇄ 2NO₂(г, бурий) (Δ H^° = +57.2 кДж/моль), за законом діючих мас Ґульдберга, Вааге швидкість прямої реакції дисоціації дорівнює v_пр = k₁[N₂O₄], а зворотної рекомбінації, v_зв = k₂[NO₂]². Стан динамічної хімічної рівноваги настає, коли v_пр = v_зв > 0: макроскопічні концентрації речовин перестають змінюватися, хоча мікроскопічні перетворення молекул тривають безперервно.
Відношення констант швидкостей визначає константу рівноваги K_c(T) = (k₁)/(k₂) = ([NO₂]²)/([N₂O₄]), яка залежить від температури за рівнянням ізобари Вант-Гоффа: (dln K)/(dT) = (Δ H^°)/(RT²). Оскільки розклад N₂O₄ є ендотермічним (Δ H^° > 0), нагрівання збільшує константу рівноваги K_c(T), і газова суміш у колбі інтенсивно темнішає через накопичення бурого парамагнітного газу NO₂.
Універсальний принцип Ле Шательє, Брауна стверджує: якщо на систему в стані рівноваги вчинити зовнішній вплив (змінити температуру T, тиск P або концентрацію), рівновага зміщується у напрямку тієї реакції, яка послаблює цей вплив. Оскільки з 1 моль газу N₂O₄ утворюється 2 моль газу NO₂, підвищення зовнішнього тиску P зміщує рівновагу ліворуч (у бік меншої кількості молів газу N₂O₄, суміш світлішає).
Приклад із життя
Принцип Ле Шательє працює як розумний термостат або пружина: якщо ти намагаєшся нагріти рівноважну систему, вона запускає ендотермічний процес, який поглинає зайве тепло; а якщо стискаєш газ поршнем, система ховає частину молекул у димери (2NO₂ → N₂O₄), щоб зменшити тиск!
Контрольне запитання та розв’язання
Пряма реакція дисоціації N₂O₄(г) ⇄ 2NO₂(г) є ендотермічною (Δ H > 0) і супроводжується збільшенням кількості газових молекул (1 моль → 2 моль). За яких умов суміш в ампулі набуває найтемнішого бурого забарвлення (максимальний вихід NO₂)?
- А: При підвищенні температури T (рівновага зміщується в бік ендотермічної дисоціації) та зниженні загального тиску P (рівновага зміщується в бік більшого числа молів газу)
- Б: При сильному охолодженні ампули в льодяній бані та стисненні поршнем
- В: Забарвлення суміші та ступінь дисоціації α не залежать ні від температури, ні від тиску
Підказка: Дисоціація N₂O₄ ⇄ 2NO₂ відбувається з поглинанням тепла (Δ H > 0) і збільшенням кількості молекул газу вдвічі (1 моль → 2 моль). Які умови (T та P) сприятимуть утворенню бурого газу NO₂?
Доведення: За принципом Ле Шательє–Брауна нагрівання зміщує рівновагу в напрямку ендотермічної реакції (Δ H = +57.2 кДж/моль > 0), збільшуючи константу рівноваги Kₚ(T) за ізобарою Вант-Гоффа. Зниження тиску P зменшує частоту бімолекулярних зіткнень 2NO₂ → N₂O₄, тому ступінь дисоціації α = √((Kₚ)/(Kₚ + 4P)) зростає, і газ темнішає.
Основні формули та параметри 3D-симуляції
Kₚ(T) = exp ≤ft(-(Δ H^° - TΔ S^°)/(RT) ), α = √((Kₚ(T))/(Kₚ(T) + 4P))
- Температура термостата T (273 К = лід, 373 К = окріп): 260 … 390 К (стандарт: 315 К)
- Загальний тиск у системі P: 0.25 … 4 атм (стандарт: 1 атм)
- Початкова кількість N₂O₄ ν₀: 0.5 … 2 моль (стандарт: 1 моль)