Смещение химического равновесия. Принцип Ле-Шателье

Принцип Ле-ШательеХимическое равновесие называют динамическим, или подвижным, что указывает на постоянное протекание прямого и обратного процессов. Изменяя внешние условия и оказывая воздействие на равновесную систему, можно вызывать смещение установившегося динамического равновесия, управлять химическими процессами.

Смещать химическое равновесие можно, пользуясь принципом Ле-Шателье:

Принцип Ле-Шателье: Eсли система находится в состоянии равновесия, то при любом воздействии на нее, вызывающем нарушение этого равновесия (изменении концентрации, давления или температуры), система переходит в такое состояние, в котором эффект внешнего воздействия ослабевает.


Впервые этот принцип сформулировал в 1885 году французский ученый Анри Луи Ле-Шателье, а в 1887 году теоретически обосновал немецкий ученый Карл Фердинанд Браун. Принцип Ле-Шателье (принцип Ле-Шателье – Брауна) универсален, может применяться не только для химических процессов, но и для физических, физико-химических, таких как кристаллизация, растворение, фазовые переходы (кипение, плавление, конденсация, сублимация) и др.

Влияние изменения концентрации на смещение химического равновесия.

Если в систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, ввести дополнительные количества одного из веществ, участвующих в реакции, то скорости прямого и обратного процессов изменятся, но таким образом, что система снова придет в состояние равновесия. В этом новом состоянии концентрации всех веществ будут отличаться от первоначальных, но соотношение между ними (определяемое константой равновесия) останется прежним. Иначе говоря, в равновесной системе нельзя изменить концентрацию только одного из веществ, не вызывая изменений концентраций всех остальных. В соответствии с принципом Ле-Шателье в обратимой системе равновесие смещается в сторону того процесса, который уменьшает концентрацию дополнительно вводимого вещества.

Ввести дополнительное количество водорода, то скорость прямого процесса возрастет (согласно закону действующих масс), т.е. равновесие сместится в сторону образования аммиака (вправо). Если в эту систему ввести дополнительное количество аммиака, то возрастет скорость обратного процесса, равновесие сместится в сторону разложения аммиака, образования азота и водорода (влево).

Влияние изменения температуры на смещение химического равновесия.

Если прямая реакция протекает с выделением энергии (экзотермическая), то обратная реакция протекает с поглощением энергии (эндотермическая), причем тепловые эффекты обеих реакций равны по модулю и противоположны по знаку. При установлении химического равновесия в системе наступает состояние теплового баланса.

Если нагревать равновесную систему (повышать температуру), то согласно принципу Ле-Шателье химическое равновесие сместится в сторону эндотермической реакции, сопровождаемой поглощением теплоты, и влияние внешнего воздействия, обусловленное нагреванием системы, ослабеет. Если от равновесной системы начать отводить тепло (охлаждать систему, понижать температуру), то химическое равновесие сместится в сторону экзотермической реакции, сопровождаемой выделением тепла.

необходимо сместить равновесие в сторону прямой реакции (вправо) для повышения выхода конечного продукта — NH3. В связи с тем, что прямая реакция синтеза аммиака экзотермическая, следует отводить тепло от системы, понижать температуру. С этой целью в колонне синтеза предусмотрено охлаждение катализаторной коробки и отвод теплоты в теплообменнике новыми порциями холодной азото-водородной смеси. Однако следует помнить, что беспредельно снижать температуру в системе нельзя, т.к. при понижении температуры уменьшается скорость реакции (как прямой, так и обратной). В промышленности находят разумный компромисс и выбирают оптимальные температурные условия для синтеза (в данном случае 450°С).

Влияние изменения давления на смещение химического равновесия.

В газообразной системе при повышении давления согласно принципу Ле-Шателье равновесие реакции смещается в направлении образования веществ, занимающих меньший объем, и наоборот, понижение давления приводит к смещению равновесия в сторону той реакции, которая сопровождается увеличением объема. Следует помнить, что изменением объемов твердых и жидких веществ пренебрегают.

видно, что прямой процесс сопровождается уменьшением объема: из 1 моль азота и 3 моль водорода образуется только 2 моль аммиака. Повышение давления в системе приведет к смещению равновесия вправо, в сторону прямой реакции синтеза. В результате такого смещения общее число молекул в системе уменьшится и приложенное давление снизится. Таким образом, для повышения выхода аммиака в промышленных установках приходится постоянно поддерживать высокое давление.

Катализатор на смещение равновесия влияния не оказывает, он в равной мере ускоряет как прямую, так и обратную реакции, приближая момент наступления химического равновесия.