Химическое равновесие и принцип Ле Шателье

Что ребёнок должен понять в этой теме

Обратимая реакция не «заканчивается», а приходит к состоянию, когда прямая и обратная реакции идут с одинаковой скоростью. Это и есть химическое равновесие: снаружи кажется, что ничего не происходит, а внутри вещество непрерывно превращается туда и обратно. Понять равновесие значит перестать ждать, что реакция «дойдёт до конца»: она дошла до предела, который задан условиями.

Предел описывают константой равновесия: отношение произведения равновесных концентраций продуктов к произведению концентраций исходных веществ, каждая концентрация в степени, равной коэффициенту в уравнении. Константа зависит только от температуры и природы веществ. Молярные концентрации в неё подставляют в моль на литр, а сами вещества должны быть в растворе или газе: твёрдые и жидкие в выражение не входят.

Главный рабочий инструмент темы — принцип Ле Шателье: если на равновесную систему подействовать извне, равновесие смещается в сторону, которая ослабляет это воздействие. Добавили вещество — система расходует часть добавки; повысили давление — смещается к меньшему числу газовых молекул; нагрели — к эндотермической реакции; отводим продукт — прямая реакция ускоряется. Отсюда практический вывод: смещение равновесия и изменение скорости — разные вещи, и в производстве их настраивают по отдельности.

Катализатор — самый частый подвох: он ускоряет и прямую, и обратную реакцию одинаково, поэтому время достижения равновесия сокращает, а положение равновесия не меняет. Так же и инертный газ при неизменном объёме сосуда не смещает равновесие: парциальные давления участников не меняются.

Три опоры темы

• Равновесие — динамическое: прямая и обратная реакции идут с равными скоростями, а концентрации всех участников постоянны.
• Константа равновесия связывает равновесные концентрации и зависит только от температуры и природы веществ.
• Принцип Ле Шателье: система ослабляет внешнее воздействие (температура, давление, концентрации), а катализатор равновесие не смещает.

Частые ошибки одиннадцатиклассника

• Пишет «реакция закончилась» вместо «установилось равновесие»: путает предел превращения с остановкой процесса.
• Включает в константу равновесия твёрдые вещества и жидкость. Концентрация твёрдого не меняется, поэтому в выражении её не пишут.
• Считает, что катализатор увеличивает выход продукта. Он сокращает время до равновесия, но не само значение выхода.
• Нагревает систему «чтобы быстрее», когда цель — повысить выход эндотермического продукта, и не замечает, что при этом меняется само положение равновесия.
• Путает давление и объём: увеличение давления — это уменьшение объёма, и равновесие смещается к меньшему числу молекул газа.
• Забывает, что коэффициент в уравнении становится степенью в выражении константы равновесия.

Как проверить, что тема закрыта

Три задания. Первое: записать выражение константы равновесия для реакции синтеза аммиака и объяснить, почему объём и давление влияют на выход. Второе: для той же реакции решить, что произойдёт при повышении температуры и при отводе аммиака из зоны реакции. Третье: объяснить, почему в производстве серной кислоты невыгодно «просто сильнее нагревать» реакционную смесь и как тогда добиваются высокого выхода. Если ребёнок отличает «быстрее» от «больше», пишет выражение константы и обосновывает смещение, тема закрыта.

Соответствие программе: федеральная рабочая программа среднего общего образования «Химия. 10–11 классы» (углублённый уровень), edsoo.ru — 11 класс, раздел 1 «Теоретические основы химии», тема 1.3 «Химические реакции» (19 ч), содержание обучения с. 14, тематическое планирование с. 52–54: обратимые и необратимые реакции, химическое равновесие, константа химического равновесия, факторы, влияющие на положение химического равновесия, принцип Ле Шателье; практическая работа «Влияние различных факторов на положение химического равновесия». В профильном учебнике для 11 класса (линия В.В. Еремина, глава «Теоретические основы химии») — раздел о химических реакциях.

Разборы этой темы — наши аналоги заданий по программе, а не цитаты из учебника.