ЗАКОН ДЕЙСТВУЮЩИХ МАСС

Рассмотрим обратную реакцию общего вида

Экспериментальные исследования показывают, что в состоянии равновесия выполняется следующее соотношение:

(квадратные скобки означают концентрацию). Приведенное соотношение представляет собой математическое выражение закона действующих масс, или закона химического равновесия, согласно которому в состоянии химического равновесия при определенной температуре произведение концентраций продуктов реакции в степенях, показатели

которых равны соответствующим коэффициентам в стехиометрическом уравнении реакции, деленное на аналогичное произведение концентраций реагентов в соответствующих степенях, представляет собой постоянную величину. Эта постоянная называется константой равновесия. Выражение константы равновесия через концентрации продуктов и реагентов характерно для реакций в растворах.

Отметим, что правая часть выражения для константы равновесия содержит только концентрации растворенных веществ. Она не должна включать никаких членов, относящихся к участвующим в реакции чистым твердым веществам, чистым жидкостям, растворителям, так как эти члены постоянны.

Для реакций с участием газов константа равновесия выражается через парциальные давления газов, а не через их концентрации. В этом случае константу равновесия обозначают символом .

Концентрацию газа можно выразить через его давление при помощи уравнения состояния идеального газа (см. разд. 3.1):

Из этого уравнения следует

где - концентрация газа, которую можно обозначить как [газ]. Поскольку -постоянная величина, можно записать, что при заданной температуре

Пример

Выразим константу равновесия для реакции между водородом и иодом через парциальные давления этих газов.

Решение

Уравнение указанной реакции имеет вид

Следовательно, константа равновесия этой реакции определяется выражением

Обратим внимание на то, что концентрации или парциальные давления продуктов, т. е. веществ, указанных в правой части химического уравнения, всегда образуют числитель, а концентрации или парциальные давления реагентов, т. е. веществ, указанных в левой части химического уравнения, всегда образуют знаменатель выражения для константы равновесия.

Единицы измерения для константы равновесия

Константа равновесия может оказаться размерной или безразмерной величиной в зависимости от вида ее математического выражения. В приведенном выше примере константа равновесия является безразмерной величиной, поскольку числитель и знаменатель дроби имеют одинаковые размерности. В противном случае константа равновесия имеет размерность, выражаемую в единицах концентрации или давления.

Пример 1

Какова размерность константы равновесия для следующей реакции?

Решение

Константа равновесия указанной реакции определяется выражением

Следовательно, она имеет размерность (моль-дм-3)

Итак, размерность рассматриваемой константы равновесия или дм3/моль.

Пример 2

Какую размерность имеет константа равновесия для следующей реакции?

Решение

Константа равновесия указанной реакции определяется выражением

Следовательно, она имеет размерность

или -

Итак, размерность данной константы равновесия: атм или Па.

Гетерогенные равновесия

До сих пор мы приводили примеры только гомогенных равновесий. Например, в реакции синтеза иодоводорода и продукт, и оба реагента находятся в газообразном состоянии.

В качестве примера реакции, приводящей к гетерогенному равновесию, рассмотрим термическую диссоциацию карбоната кальция

Константа равновесия этой реакции определяется выражением

Отметим, что в это выражение не входят никакие члены, относящиеся к двум твердым веществам, участвующим в реакции. В приведенном примере константа равновесия представляет собой давление диссоциации карбоната кальция. Она показывает, что если карбонат кальция нагревают в закрытом сосуде, то его давление диссоциации при фиксированной температуре не зависит от количества карбоната кальция. В следующем разделе мы узнаем, каким образом константа равновесия изменяется в зависимости от температуры. В рассматриваемом примере давление диссоциации превышает 1 атм лишь при температуре выше Поэтому для того, чтобы диоксид

углерода мог высвобождаться в атмосферу, необходимо нагревать карбонат кальция до указанной температуры.

Гидраты солей

Термическая диссоциация таких гидратных солей, как приводит к последовательному образованию низших гидратов и безводных солей. На каждой стадии над твердой фазой устанавливается определенное давление водяного пара. Константа равновесия для каждой стадии этой диссоциации определяется выражением

где х — число молей водяного пара, образующегося при диссоциации гидрата. Например, пентагидрат сульфата диссоциирует в три стадии:

На первой стадии образуют так называемую гидратную пару. Гидратной парой на второй стадии являются