Сутність хімічних реакцій полягає у взаємодії реагентів з утворенням продуктів. Однак, не слід вважати, що перебіг хімічної реакції можливий тільки в одному напрямку реагенти → продукти. Насправді, хімічні реакції протікають і в прямому, і в зворотному напрямках:
Реагенти ⇄ Продукти
Всі хімічні реакції оборотні.
В реакційній суміші здійснюється і взаємодія реагентів (при цьому утворюються продукти), і взаємодія продуктів (при цьому утворюються реагенти). В оборотних реакціях відмінність між реагентами і продуктами умовна і визначається записом рівняння оборотної реакції: зліва від знака оборотності “⇄” записують формули реагентів, а праворуч – формули продуктів.
Приклад.
У закритій реакційної системі, яка містить спочатку ртуть і кисень, можуть протікати реакції:
2Hg + O2 → 2HgO
2HgO → 2Hg + O2
Таким чином, в даній системі одночасно протікають два процеси. Сумарне рівняння оборотної реакції:
2Hg + O2 ⇄ 2HgO
Відповідно до рівняння конкретної оборотної реакції розрізняють пряму реакцію, що протікає відповідно до рівняння зліва направо, і зворотну реакцію, що протікає відповідно до рівняння справа наліво.
Конкретний запис зворотної реакції часто визначається також тим, які речовини були вихідними при експериментальному проведенні реакції, а які – кінцевими, тобто утвореними в процесі її протікання.
Приклад.
При нагріванні вихідної речовини магній карбонату утворюються продукти розкладання – магній оксид і карбон діоксид:
Пряма реакція
MgCO3 → MgO + CO2
В процесі як відбувається пряма реакція в закритій системі накопичуються кінцеві продукти, збільшення кількості яких сприяє розвитку зворотної реакції між ними:
Зворотна реакція
MgO + CO2 ← MgCO3
Отже, оборотний процес термічного розкладання магній карбонату записується так:
MgCO3 ⇄ MgO + CO2
Якщо в якості вихідних речовин взяти магній оксид і карбон діоксид, тоді рівняння синтезу магній карбонату записують так:
MgO + CO2 ⇄ MgCO3
Напрямок протікання хімічної реакції визначається умовами її проведення (температурою, тиском, концентрацією речовин)
Багато реакцій мають один переважний напрямок і для проведення таких реакцій в протилежному напрямку потрібні екстремальні умови. В подібних реакціях відбувається майже повне перетворення реагентів в продукти.
Приклад.
Залізо і сірка при нагріванні реагують між собою з утворенням ферум(II) сульфіду, FeS за таких температур стійкий і практично не розкладається в зворотному напрямку на залізо і сірку:
Fe + S → FeS
У хімічних реакціях, які здатні при заданих умовах протікати в обох напрямках, не відбувається взаємодії речовин без залишку. Особливо це характерно для гомогенних реакцій (реакції між газами, реакції в розчинах).
Приклад.
Реакція синтезу амоніаку є оборотною
N2 + 3H2 ⇄ 2NH3
При 20 МПа і 400*С досягається максимальний 36% (за об’ємом) вміст NH3 в реакційній суміші. При подальшому підвищенні температури внаслідок посиленого протікання зворотної реакції об’ємна доля амоніаку в суміші зменшується.
Пряма і зворотна реакції протікають одночасно в протилежних напрямках
Залежність між прямою і зворотною реакціями кількісно виражається через швидкість реакції. Швидкість реакції залежить від кількості частинок, що реагують (тобто зіштовхуються). У перший момент протікання оборотної реакції в системі містяться тільки частинки вихідних речовин (наприклад, в процесі синтезу амоніаку N2 і H2). Тому в перший момент протікає тільки пряма реакція, причому з дуже високою швидкістю.
В процесі протікання прямої реакції накопичується все більше число частинок кінцевих речовин (продуктів), які беруть участь в зворотній реакції, тому швидкість зворотної реакції зростає. Одночасно зменшується число частинок вихідних речовин – швидкість прямої реакції зменшується. В результаті в реакційна система досягає стану, при якому швидкость прямої реакції дорівнює швидкості зворотної реакції.
Стан хімічної рівноваги – це стан реакційної системи при якому швидкості прямої реакції і зворотної реакції однакові
В стані хімічної рівноваги обидві реакції, пряма і зворотна, продовжують відбуватися, отже, такий стан рівноваги буде динамічним (або рухомим) рівноважним станом, а не статичним.
У всіх оборотних реакціях швидкість прямої реакції зменшується, швидкість зворотної реакції зростає до тих пір, поки обидві швидкості не стануть однаковими – стан хімічної рівноваги
Співвідношення концентрацій речовин, що беруть участь в реакції (реагентів, продуктів), в стані хімічної рівноваги відповідає положенню рівноваги.
Приклад.
В оборотній реакції електролітичної дисоціації (автопротоліза) води лише дуже незначна частина молекул води бере участь в цій реакції:
H2O ⇄ H+ + OH– або H2O + H2O ⇄ H3O+ + OH–
Тому кажуть, що стан рівноваги знаходиться в області недисоційованих молекул H2O.
Кожна хімічна реакція, що проводиться за певних умов, має положення рівноваги притаманне тільки цій реакції.
Приклад.
При 400*С і 20 МПа в реакції синтезу амоніаку утворюється 36% (за об’ємом) NH3, а при 500*С і 10 МПа – всього 10%.
Для однакових умов відповідне положення рівноваги не залежить від того, реагенти чи продукти реакції були вихідними речовинами.
Вибір умов проведення оборотних реакцій є практично важливою задачею для забезпечення ефективності хіміко-технологічних процесів, тобто для отримання оптимальної кількості необхідних речовин.