Kimyoviy termodinamika

Kimyoviy muvozanat
Kimyoviy muvozanat belgilari, shartlari va qonunlari

Har qanday jarayon sistemani shunday holatga olib keladiki, bunda sharoitlar o‘zgartirilmasa, sistemada hech qanday ko‘zga ko‘rinarli o‘zgarishlar sodir bo‘lmaydi. Qaytar reaksiyalarda qarama-qarshi ikki jarayonning tezligi baravarlashganda reaksiyaviy aralashmaning tarkibi uzoq vaqt o‘zgarmay qoladigan barqaror holat kimyoviy muvozanat holati deyiladi. Qaytmas reaksiyaning sharoitini o‘zgartirib, uni qaytar reaksiyaga aylantirish mumkin. Demak qaytar va qaytmas reaksiyalar orasida prinsipial farq yo‘q. Barcha reaksiyalarni kimyoviy muvozanat holatiga keladigan qaytar jarayonlar, deb qabul qilsak, bunday sistemalarga qaytar jarayonlar termodinamikasini qo‘llay olamiz. Kimyoviy reaksiyalarga termodinamikani tadbiq qilish reaksiyaning mexanizmi haqida hech qanday ma’lumot bermaydi, balki sistemaning dastlabki va oxirgi holatlari haqida va reaksiyaga kirishuvchi moddalarning kimyoviy muvozanat holatidagi miqdorlari haqida ma’lumotga ega bo‘lamiz. Reaksiya boradigan muhitning bir jinsli yoki ko‘p jinsli bo‘lishiga qarab kimyoviy muvozanatlar gomogen yoki geterogen muvozanatlar, deb ataladi. Gazlarda va chin eritmalarda bo‘ladigan muvozanatlar gomogen muvozanatlardir. Geterogen muvozanat bir necha fazadan iborat sistemadagi reaksiya natijasida qaror topadi.

Shunday qilib, muvozanat statik holat emas, balki ko‘zga ko‘rinarli o‘zgarishlar kuzatilmaydigan dinamik holatdir. Matematik nuqtai nazardan, muvozanat shartini V₁=V₂ ko‘rinishda yozish mumkin, bu yerda V₁ va V₂ –qarama-qarshi yo‘nalgan jarayonlarning tezliklari. Bu esa bizga o‘rganilayotgan sistemalarda borayotgan jarayonlarning tezliklari haqidagi ma’lumotlarga, ya’ni kinetika qonunlariga asoslanib muvozanat qonunlarini o‘rnatish imkoniyatini beradi. Ammiakning sintezi misolida buni ko‘rib chiqamiz.
Agar azot bilan vodorodni aralashtirib, ma’lum tashqi sharoitlarni yaratsak, quyidagi jarayon ketadi:
(II.1)
Reaksiya mahsuloti hosil bo‘lishi bilan aralashmada teskari jarayon ham paydo bo‘ladi:
(II.2)
Ammiakning miqdori ortishi bilan (II.2) reaksiyaning tezligi ortib boradi. Nihoyat, ammiakning ma’lum (muvozanat) konsentratsiyasida uning hosil bo‘lish va parchalanish reaksiyalari tenglashadi va kimyoviy muvozanat holatiga erishiladi.
Agar tashqi sharoitlar o‘zgartirilmasa, sistemada ko‘zga ko‘rinarli o‘zgarishlar kuzatilmaydi. Bunda reaksiya oxirigacha bormaydi va muvozanat holatidagi aralashma NH₃, N₂ va H₂ larni tutadi. Bunday oxirigacha bormaydigan va sistemani kimyoviy muvozanat holatiga keltiradigan reaksiyalar qaytar deyiladi:
(II.3)
Shuni yana bir bor ta’kidlaymizki, nazariy nuqtai nazardan barcha reaksiyalar qaytardir. “Qaytmas” kimyoviy reaksiyalarni esa, muvozanat chapdan o‘ngga kuchli siljigan jarayon deb qarash lozim. Kimyoviy reaksiyaning qaytarligi bilan jarayonning termodinamik qaytarligini chalkashtirish kerak emas:
– kimyoviy reaksiyaning qaytarligi haqida so‘z yuritilganda, reaksiya faqat to‘g‘ri va teskari yo‘nalishlarda borishi mumkinligi tushiniladi;
– termodinamik muvozanat esa, jarayon borayotgan sistemaning cheksiz muvozanat holatlaridan o‘tishi kerakligini bildiradi.
Shunday qilib, qaytar kimyoviy reaksiya termodinamik jihatdan qaytmas bo‘lishi mumkin (amalda ko‘pincha shunday bo‘ladi ham).
Muvozanat holatning belgilari quyidagilar:
– vaqt o‘tishi bilan sistemaning o‘zgarmasligi;
– muvozanat holatga qanday yo‘l bilan erishganlikka bog‘liq bo‘lmaslik (termodinamikadan bevosita kelib chiqadigan asosiy belgi);
– muvozanatning tashqi sharoitga bog‘liqligi (har qanday cheksiz kichik o‘zgarishga muvozanatning ham cheksiz kichik o‘zgarishi mos keladi).
Kimyoviy muvozanatning asosiy miqdoriy qonuni 1865 yili N.N.Beketov tomonidan o‘rnatilgan va uni 1867 yilda gomogen sistemalar uchun Guldberg va Vaagelar rivojlantirgan: hosil bo‘lgan moddalar konsentratsiyalari ko‘paytmasining boshlang‘ich moddalar konsentratsiya-larining ko‘paytmasiga bo‘linmasi o‘zgarmas haroratda muvozanatdagi sistemada o‘zgarmas kattalik bo‘lib, muvozanat konstantasi deyiladi (ushbu qonun “massalar ta’siri qonuni” nomi bilan mashhurdir).
Haqiqiy muvozanat holatning asosiy qonunlari tajribada o‘rnatilgan va undan keyingina termodinamik nuqtai nazardan asoslangan. Muvozanat holatining tashqi sharoitlarga bog‘liq ravishda o‘zgarish qonuniyatini 1884 yili Le Shatele birinchi bor sifat jihatdan ko‘rsatib bergan va uni Braun umumlashtirgan:
– agar muvozanatdagi sistemaning tashqi sharoitlari o‘zgartirilsa, muvozanat tashqi ta’sirning effekti kamayadigan tomonga siljiydi (Le Shatele-Braun prinsipi).