Симулятор химического равновесия (Ле Шателье)
Уравнения этой модели
| ΔH° | энтальпия реакции | отрицательная: синтез аммиака выделяет тепло, поэтому повышение температуры сдвигает равновесие обратно к N₂ и H₂ | |
|---|---|---|---|
| n | моли каждого газа | на рисунке двадцать молекул на моль |
| p | парциальное давление каждого газа, бар | p = n R T ÷ V | |
|---|---|---|---|
| Q | коэффициент реакции: то же отношение для смеси в её нынешнем виде | ниже K реакция идёт вперёд, выше K — назад, пока Q не станет равным K | |
| K_p | константа равновесия | задаётся только температурой, а не количествами или объёмом |
При текущих значениях:
| ΔS° | энтропия реакции | −198 Дж/(моль·К): четыре молекулы газа становятся двумя | |
|---|---|---|---|
| ΔG° | стандартная энергия Гиббса реакции | отрицательная ниже примерно 465 K, где выгоден аммиак |
При текущих значениях:
| p_total | общее давление | сжатие сосуда его повышает, и реакция отвечает, образуя меньше молекул: 4 становятся 2 |
|---|
При текущих значениях:
Как пользоваться симулятором химического равновесия
- Сосуд начинает с одного моля азота (синие пары) и трёх молей водорода (белые пары). Они реагируют с образованием аммиака (один синий и три белых), пока смесь не придёт к равновесию, где аммиак образуется так же быстро, как распадается, и Q равно K.
- Нарушьте его и смотрите, как оно смещается обратно по принципу Ле Шателье. Сожмите сосуд — давление растёт, и реакция делает больше аммиака, превращая четыре молекулы в две. Нагрейте — и, поскольку образование аммиака выделяет тепло, равновесие смещается обратно к азоту и водороду. Добавьте газ или уберите аммиак — смесь сдвигается, чтобы израсходовать его или восполнить.
- Выключите катализатор и охладите сосуд, чтобы увидеть вторую половину истории: при низкой температуре равновесие благоприятствует аммиаку, но реакция так медленна, что почти не идёт. График показывает равновесную долю аммиака в зависимости от температуры при выбранном объёме.
Частые вопросы
Что такое химическое равновесие?
Состояние, в которое приходит обратимая реакция, когда прямая и обратная реакции идут с одинаковой скоростью, так что количества перестают меняться, хотя молекулы продолжают реагировать в обе стороны. Для N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ оно достигается, когда коэффициент реакции Q = p(NH₃)² ÷ (p(N₂) p(H₂)³) равен константе равновесия K.
Что такое принцип Ле Шателье?
Если равновесие нарушено, оно смещается в направлении, частично устраняющем нарушение. Добавление реагента смещает его вперёд, чтобы часть израсходовать; удаление продукта — вперёд, чтобы часть восполнить; повышение давления благоприятствует стороне с меньшим числом молекул газа; повышение температуры — направлению, поглощающему тепло.
Почему процесс Габера ведут при нагреве, если тепло снижает выход?
Потому что при температуре, где выход высок, реакция слишком медленна даже с катализатором. Промышленность идёт на компромисс: около 450 °C, железный катализатор и давление 150–300 бар, чтобы вернуть выход, а аммиак конденсируют и выводят, непрореагировавший газ возвращают в цикл. Этот последний шаг — кнопка «Убрать NH₃».
Меняет ли катализатор равновесие?
Нет. Он ускоряет прямую и обратную реакции в одинаковое число раз, поэтому смесь приходит к равновесию быстрее, но с точно тем же составом. K меняет только температура; давление и количества меняют Q, и смесь сдвигается, пока Q снова не станет равным K.
Пишет, что WebGL выключен.
Для 3D-вида нужен WebGL, который есть во всех современных браузерах. Он может быть выключен, если в настройках браузера отключено аппаратное ускорение или графический драйвер очень старый. Включите аппаратное ускорение или попробуйте другой браузер.
Загружается ли что-нибудь?
Нет. Симуляцию рисует ваш собственный браузер с помощью WebGL; ничего никуда не отправляется, и после загрузки страницы она работает и офлайн.