🌡️ Хімічна рівновага

Хімічна рівновага — стан оборотної реакції, при якому швидкість прямої реакції дорівнює швидкості зворотної. При цьому концентрації речовин залишаються незмінними. Константа рівноваги Kc або Kp характеризує положення рівноваги і залежить лише від температури. Принцип Ле-Шательє дозволяє передбачити зміщення рівноваги при зміні умов.

Хімія — наука про речовину, її склад, структуру, властивості та перетворення. Стехіометрія та поняття моля (6.022×10²³ частинок) дозволяють кількісно описувати хімічні реакції. Термодинаміка реакцій (ΔG, ΔH, ΔS) визначає їх спонтанність, а кінетика — швидкість та механізм. Рівновага хімічних реакцій описується константою рівноваги K, на яку впливають температура і тиск (принцип Ле Шательє). Сучасна хімія є мостом між фізикою атомів (квантова хімія) та біологією (біохімія).

Розрахунок константи рівноваги Kc

Для реакції aA + bB ⇌ cC + dD:

Kc = [C]c · [D]d / ([A]a · [B]b)

Концентрації продуктів (чисельник)

Формат: коефіцієнт; концентрація (моль/л) — кілька речовин через нові рядки або крапку з комою.

Ступінь дисоціації слабкого електроліту

Для реакції HA ⇌ H⁺ + A⁻ константа дисоціації Ka пов'язана зі ступенем дисоціації α та початковою концентрацією C:

Ka ≈ C · α² (при α « 1)
α = √(Ka / C)
Наприклад, для CH₃COOH Ka = 1.75×10⁻⁵

Перетворення Kc ↔ Kp

Kp = Kc · (RT)Δn

де Δn = кількість молів газоподібних продуктів − кількість молів газоподібних реагентів, R = 0,08206 л·атм/(моль·К).

Принцип Ле-Шательє

Якщо на рівноважну систему діє зовнішній вплив, рівновага зміщується в напрямку, що зменшує цей вплив:

  • Підвищення концентрації реагентів → рівновага зміщується в бік продуктів.
  • Підвищення тиску (газові реакції) → зміщення в бік меншого об'єму газів (менше молів).
  • Підвищення температури → зміщення в бік ендотермічної реакції.
  • Додавання каталізатора → не зміщує рівновагу, але прискорює досягнення.

Знакова функція реакційного фактора Q

Якщо Q < K — реакція іде в прямому напрямку (→)
Якщо Q = K — система в рівновазі
Якщо Q > K — реакція іде у зворотному напрямку (←)

Практичне значення та контекст

Коротка довідка

Лавуазьє заклав основи хімії (1789). Дальтон розвинув атомістику (1808), Меделєєв відкрив Таблицю елементів (1869).

Де застосовується

Фармацевтика: синтез ліків, фармакокінетика, буферні розчини. Хімічна промисловість: технологічні розрахунки, стехіометрія. Аналітична хімія: титрування, рН, концентрації розчинів. Екологія: моніторинг хімічного забруднення, розрахунок ГДК.

Часті запитання

Чому K залежить тільки від температури?
Константа рівноваги пов'язана з різницею енергій Гіббса (ΔG° = −RT·ln K). ΔG° залежить від температури через ентропійний доданок, але не залежить від тиску чи концентрацій. Тому K = f(T) тільки.
Велике або маленьке K — що краще?
K > 10³ — рівновага зміщена в бік продуктів (реакція практично необоротна). K < 10⁻³ — реагенти переважають. 10⁻³ < K < 10³ — суміш реагентів і продуктів.
Чи враховуються тверді речовини та розчинник у виразі K?
Ні. Активності чистих твердих речовин і розчинника (у розведених розчинах — води) прийняті за одиницю і не входять у вираз константи рівноваги.
Що таке хімічна рівновага?
Хімічна рівновага — стан системи, при якому швидкості прямої та зворотної реакцій рівні, і склад системи не змінюється з часом (в умовах незмінних зовнішніх умов). Рівновага описується константою рівноваги Kc або Kp. За принципом Ле-Шательє, зміна умов (температура, тиск, концентрація) зміщує рівновагу в бік, що компенсує цю зміну.
Як відрізнити кислоту від основи?
За теорією Бренстеда-Лоурі: кислота — донор протона (H⁺), основа — акцептор протона. За Арреніусом: кислота дисоціює з утворенням H⁺, основа — OH⁻. Кількісно кислотність оцінюється показником pH: pH < 7 — кисле середовище, pH = 7 — нейтральне, pH > 7 — лужне. Визначають за допомогою індикаторів або pH-метра.