Химиялық тепе-теңдік

Жоспар:

 

1. Химиялық тепе-теңдік 
2. Химиялық реакция тепе-теңдік константасы
3. Изобаралық және изохоралық теңдеулер

Қорытынды

Пайдаланған әдебиеттер

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      Химиялық тепе-теңдік — бір немесе бірнеше қарама-қарсы жүретін қайтымды реакциялар жылдамдықтарының теңескен күйі. Қайтымды реакция аяғына дейін жүрмейді, ол басталғанда тура жүретін реакцияның жылдамдығы (v1) жоғары, кері реакция жылдамдығы (v2) баяу болады. Тура реакция жүрген сайын реакцияға алынған заттың концентрациясы азайып, v1 — жылдамдығы кемиді, керісінше, тіке реакциядан пайда болған өнімнің концентрациясы артып, v2 күшейеді. Біртіндеп екі реакция жылдамдығы теңеседі: v1=v2. Осындай жағдайды химиялық тепе-теңдік деп атайды. Тепе-теңдік орнағанмен қарама-қарсы бағытталған екі реакция да тоқтамай жүре береді. Егер сыртқы жағдай (қысым, концентрация, температура) өзгермесе реакция жылдамдықтары тең болып, химиялық тепе-теңдік орнаған қалпында қала береді, сондықтан оны жылжымалы немесе [динамикалық] тепе-теңдік деп те атайды. Реакцияласушы жүйенің бір тепе-теңдік күйден басқа басқа тепе-теңдік күйге ауысуын химиялық тепе-теңдіктің ығысуы дейді. Химиялық тепе-теңдік орнаған кездегі реакцияға қатысқан әр заттың концентрациясы тепе-теңдік концентрациясы деп аталады. Химиялық тепе-теңдікті сан жағынан сипаттайтын көрсеткіш тепе-теңдік константасы (тұрақтысы) (К) деп аталады: aA+bB=pP+qQ, мұндағы бас әріптер — заттардың формулалары, кіші әріптер — реакциядағы молекула сандарын көрсететін коэффициенттер. Тепе-теңдік константасы тура және кері реакциялардың жылдамдық константаларының (k1,k2) қатынасы деп те аталады: K=k1/k2. К — белгілі температурада тура реакция өнімдері мен реакциясы алынған заттардың мольдік көбейтінділерінің қатынасын көрсететін тұрақты шама. Тепе-теңдік константасының теңдеуі реакцияға қатысқан заттардың тепе-теңдік концентрацияларының бір-біріне тәуелділігін көрсетеді. Химиялық тепе-теңдікті зерттеудің теориялық және практикалық маңызы бар.

     Көптеген химиялық реакцияларда заттардың әрекеттесуі толық реакция өнімдеріне айналмайды, өйткені реакция өнімдері өзара әрекеттесіп, қайтадан бастапқы заттарды беруі мүмкін. Мысалы, 5000С, 30 атм. қысымдағы жабық ыдыста N2 мен Н2-ні қоссақ, олардың арасында мынандай реакциялар жүреді: 
 
                                              N2 +3Н2 →2NН3 
 
     Алайда осы температурада аммиак тұрақсыз болғандықтан, ол ыдырап, бастапқы заттар пайда болады: 
 
                                             2NН3→N2 +3Н2 
      Демек азот пен сутек арасындағы реакция қайтымды реакция, оны былай көрсете аламыз: 
 
                                             N2 +3Н2 ↔2NН3 
 
      Осы реакцияның барысында реакцияға қатысатын заттардың концентрациясын өлшесе, онда азот пен сутек концентрациялары біртіндеп азаятынын, ал аммиак концентрациясының көбейетінін байқауға болады. Белгілі бір уақыт өткенде осы химиялық жүйені құратын құрамдас бөліктердің концентрациялары тұрақты болады да, өзгермейді. 
Бұл жағдайда химиялық тепе-теңдік жағдайына сәйкес келеді. Мұндай жағдайда аммиактың үлесі 25,41 болса, азот пен сутектің үлесі 73,61 болады.     Осы құрамдас бөліктер концентрациясының тұрақтылығын химиялық реакция жүрмейтіндігімен емес және керісінше реакция жылдамдықтарының бірдей болатынымен түсіндіруге болады. Сондықтан химиялық тепе-теңдікті кейде динамикалық тепе-теңдік деп атайды да, тура және кері бағытта жүретін реакцияларды қайтымды реакциялар дейді. 
      Химиялық реакция жүйенің тепе-теңдікке жақындайтын жағына қарай бағытталатынын айтқан болатын. Химиялық тепе-теңдік орныққанда изобаралық потенциал әрі қарай өзгермейді, яғни dG=0. Демек, неғұрлым dG 
көп болса, соғұрлым жүйе тепе-теңдік жағдайдан қашығырақ болады, яғни жүйенің химиялық реакцияға бейімділігі де басым болады. Реакция қайтымды болғандықтан тепе-теңдік жағдайға дейін солдан қарай ΔG<0 , ал тепе-теңдік жағдайдан кейін ΔG>0 болады. Алайда G-ның өзгерісін есептеу химиялық жылдамдық туралы ешқандай мәлімет бермейді. Химиялық жылдамдықты әрекеттесуші массалар заңына сүйене отырып білуге болады. 
Енді мынандай қайтымда реакциясын қарастырайық: 
 
                                                   А+В↔С+Д 
 
Мұндағы тура реакцияның жылдамдығын (V1) былай жазуға болады: 
 
                                                   V1=К1 [A][B] 
 
Ал кері реакцияның жылдамдығын (V2) тағы да әрекеттесуші массалар заңына сүйеніп былай өрнектей аламыз: 
 
                                                  V2=К2 [С][Д] 
Химиялық тепе-теңдік орныққанда: V1=V2, олай болса,  
 
                                            К1 [A][B]=К2 [С][Д] 
 
Бұдан: 
 
                                             К1/К2=[С][Д]/[A][B] 
 
Екі тұрақты шаманың қатынасы (К1/ К2)да тұрақты шама, оны Кс деп белгілесек: 
 
                                               Кс=[С][Д]/[A][B] 
 
Кс – химиялық тепе-теңдіктің константасы.  
 
аА+bВ↔cC+dD, онда химиялық тепе-теңдік константасын былай көрсетеді: 
 
                                             Кс=[С]с[Д]d/[A]а[B]b 
 
     Тұрақты қысымда және тұрақты температурада мына реакцияны қарастырайық: 
 
                                            
 
      Химиялық реакциялардың тепе-теңдігін қарастырғанда тепе-теңдік химиялық және термодинамикалық болып бөлінетінін еске ұстау қажет. Химимялық тепе-теңдік әрқашан қайтымды болады, химиялық реакцияның теңдеуін жазғанда кейде теңдік белгісінің орнына қарама- қарсы екі бағдарша қойылады. Мұның себебі тепе-теңдік жылжымалы, реакцияның өту жағдайына байланысты болады. Реакция тура және кері бағытта жүруі мүмкін. Жүйеде тепе-теңдік орнаған реакция тоқтап қалмайды, тек тура бағытта өтетін реакцияның жылдамдығына теңеседі, сөйтіп химиялық тепе- теңдік динамикалық болады. 
      Термодинамикалық тепе-теңдікке химиялық реакциялар қайтымсыз процестерге жатады. Егер процесс қайтымды болса, жүйе өзінің бастапқы күйіне оралғанда онда және айналадағы ортада ешқандай өзгерістер болмауы тиіс. Ал химиялық реакция өткенде өзгерістер болады, мысалы, заттар түзіледі, жылу алмасу байқалады. Реакцияда термодинамикалық тепе- теңдік орнағанда қайтымсыз химимялық процесс тоқтап, оқшауланған жүйенің энтропиясы максимал мәнге келеді. Мұндай термодинамикалық тепе- теңдіктен жүйе өздігінен шықпайды. Химиялық процесс қайтымсыз болғандықтан оған термодинамиканың заңдарын қолдану үшін реакцияны квазистатикалы жағдайда жүргізу керек.

      Химиялық тепе-теңдікті зерттеуде массалар әрекеттесу заңы өте маңызды роль атқарады. Тепе-теңдік константасы арқылы реакцияға қатысатын заттардың тепе-теңдіктегі концентрацияларының қатынастары беріледі. Бұл қатынасқа заттардың бастапқы концентрациясының мәндері әсер етпейді. Мысалы, төмендегі реакцияны қарастырайық: 
 
                                                 Н2+І2↔2НІ 
 
      Бастапқы заттар сутегі мен йод арасындағы реакция алғашында тура бағытта, яғни сутегі түзілу бағытында өтеді. Осы тура процестің жылдамдығы сутегі йодтың парциалды қысымдарына тәуелді. Реакция барысында йод пен сутегі концентрациялары кемиді; соған байланысты реакцияның жылдамдығы төмендей бастайды. Ал йод сутектің түзілу барысында кері реакцияның жылдамдығы артады. Тура және кері реакциялардың жылдамдығы бір- біріне теңескенде жүйеде химиялық тепе-теңдік орнайды. Егер бастапқы зат ретінде йод сутекті алатын болсақ, ол реакция нәтижесінде сутегі мен йодка диссоциацияланады. Йод сутектің концентрациясы азайған сайын диссоциациялану процесінің жылдамдығы төмендеп, сутегі мен йодтың мөлшері көбейеді. Концентрациясы көбейген сайын сутегі мен йодтың әрекеттесу жылдамдығы артады. Бұл процесс жүйеде химимялық тепе- теңдік орнағанша, яғни тура және кері процестердің жылдамдықтары теңелгенше жүреді. 
      Заттардың бастапқы концентрацияларына немесе парциалды қысымындарына байланысты олардың тепе-теңдіктегі құрамдары әр түрлі, бірақ концентрацияларының (парциалды қысымдарының) қатынастары тұрақты болады. Бұл қатынас тепе-теңдік константасы арқылы көрсетіледі. Тепе-теңдік константасы белгілі температурада берілген реакция үшін тұрақты бір мәнге тең болады. Жалпы алғанда КР(КС) мәндері нольден шексіздікке дейін болуы мүмкін, яғни  
 
                                                          0≤K≤∞ 
 
Өтетін химиялық реакцияның теңдеуін жалпы түрде былай жазайық:

 
 
                                                    А +В ↔ С+ D

 
    Тепе-теңдік константасының КС жалпы формуласы концентрация арқылы келтірілсе:  
 
                                        КС=(CC*CD)/(CA*CB) 
 
      Егер КС=0 болса, бұл реакцияның тепе-теңдік күйінде С мен D компоненттерінің концентрациялары (немесе KP=0 болғанда парциалды қысымдары) нольге тең, реакция тура бағытта жүрмейді. Сол сияқты KC=∞болса, реакция тек тура бағытта жүріп тепе-теңдікте С мен D заттары ғана болады.  

      Изохоралық процесс – физикалық жүйеде тұрақты көлемде жүретін процесс. Ол термодинамикалық күй диаграммасында изохорамен кескінделеді.

       Изохоралық процессті көлемі өзгермейтін герметикалық (тұмшаланған) ыдыстағы газдар мен сұйықтықтарда жүзеге асыруға болады. Дене көлемінің өзгеруіне ішкі энергиясының өзгеруі жылудың жұтылуы не шығуы есебінен атқарылады. Температураның өзгеруіне байланысты газдың (сұйықтықтың) қысымы да өзгереді. Изохоралық процесс кезінде идеал газдың қысымы температураға пропорционал (Шарль заңы) болады. Нақты (идеал емес) газда Шарль заңы орындалмайды. Өйткені газға берілген жылудың белгілі бір бөлігі бөлшектердің өзара әсерлесу энергиясын арттыруға жұмсалады. Ал қатты денедегі изохоралық процессті атқару техникалық жағынан едәуір күрделі болып келеді. Сығылғыштығы өте аз қатты денедегі кез келген изотермалық процесті, бірнеше ондаған килобар қысымға дейін, изохоралық процесс деп есептеуге болады.

      Изобаралық процесс – сыртқы тұрақты қысымда физикалық жүйеде өтетін процесс.

      Ол термодинамикалық диаграммада изобарамен кескінделеді. Изобаралық процесстің қарапайым мысалына ашық ыдыстағы суды қыздыру, еркін қозғалатын поршені бар цилиндрдегі газдың ұлғаюы жатады. Бұл екі жағдайда да қысым атмосфералық қысымға тең. Изобаралық процесс кезінде идеал газдың көлемі температураға пропорционал болады (қ. Гей – Люссак заңы). Изобаралық процессте, жүйенің жылу сыйымдылығы изохоралық процеске (тұрақты көлемде) қарағанда көбірек болады. Мысалы, идеал газ үшін:

 , мұндағы   және   – изобаралық және изохоралық процестердегі бір бөлшекке келетін жылу сыйымдылықтары.

Изобаралық процессте идеал газдың жасайтын жұмысы   -ге тең, мұндағы   – қысым,   – газ көлемінің өзгерісі.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Қорытынды

 Кез келген химиялық реакция бір сәтте екі бағытта жүреді. Химиялық реакция нәтижесінде жаңа өнімнің алынуы — он, жакқа қарай жүретін ре-акцияға жатады. Ал реакция кері жүріп, әуелгі қосылыстардын қайта шығуы кері (теріс) бағыттағы реакция болады. Сондай-ақ жылу бөліне жүретін экзотермиялық реакцияларды тура бағыттағы десе, сырттан жылу қабылдайтын (сіңіретін) эндотермиялық реакцияларды кері реакция дейді. Белгілі бір уақыт өткен сод тура және кері реакциялар теңеседі. Екі реакцияның жылдамдығы өзара теңелген жағдайда, қысым, температура сияқты параметрлер өзгеріссіз қалатын болса, химиялық тепе-теңдік орнап, реакцияға түсетін заттардың концентрациясы түрақталады. Химиялық қайтымды реакциялар химиялық тепе-теңдік орнағанша жүреді. Термодинамикалық тұрғыдан олар қайтымсыз және жұмысы тиімді емес. Әйтсе де тура және кері бағыттағы химиялық реакцияларды үздіксіз қозғалыстағы бөлшектер түрінде қарастыратын болсақ, оны термодинамикалық қайтымды процеске жақындатуға, ұқсатуға болады.    Системаны теңдік жағдайына жақындата түсетін қайтымды реакциялардың басым болатын бағыттарын изобаралық потенциалдың кемуімен немесе тиімді жұмыстың оң мәнді шамасымен анықтайды. Тұрақты температурада өздігінен жүретін тура не кері реакция кезінде пайда болатын тиімді жұмыс реагенттер мен реакция өнімдерінің концентрациясына, реакциядағы химиялық тепе-теңдікке тәуелді. Реагенттердің концентрациясы белгілі бол-ғандықтан, оған массалық әрекет заңын қолданып, тепе-теңдіктегі концентрацияны анықтаймыз, сөйтіп реакция өнімінің шығымын табамыз. Осы негізде реагенттердің концентрациясын пайдаланып немесе әр түрлі температура мен қысымдағы белгілі тепе-теңдік шамасын, оның жағдайын есепке алып, барынша пайдалы жұмысты есептеу химиялық тепе-теңдікті термодинамика шешетін ең басты және маңызды мәселе.

 Химиялық тепе-теңдік кезінде тура және кері реакциялар жыл-дамдықтары теңеседі және қоршаған ортадағы жағдай өзгеріссіз қалады.

  Массалық әрекет заңы тура және кері реакциялардың жылдамдықтарының өзгеру сипатын, бағытын және себебін қарастырғанда, яғни кинетикалық әдіспен оңай корытындыланады. Оған зер салса, соңғы нәтиже реакцияға қатысатын реагенттер мен өнімдердің концентрациясына тәуелсіз тура және кері реакциялардың үлесті жылдамдықтарының (тұрақты температурадағы) тұрақты қатынастарымен өрнектеледі. Бұл тұрақты қатынасты химиялық тепе-теңдіктің константасы дейді.

 

 

 

 

 

Пайдаланған әдебиеттер: 
 
1. Жайлуов С. Физикалық химия – Алматы, Рауан, 1992. – 255 б. 
 
2. Оспанов К.Е., Қамысбаев Д.Қ. Физикалық химия – Алматы, Ғылым, 1999. – 560 б. 
 
3. Киреев В.А. Курс физической химии. М.:Химия,1975.-725с. 
 
4. Киреев В.А. Краткий курс физической химии. М.Химия, 1978.-621с. 
 
5. Стромберг А.Г. Физическая химия М.: Высшая школа, 1999. -496с. 
 
6. Карапетьянц М.Х. Химическая термодинамика.-3-е изд. –М.1975.-584с.