Состояние равновесия означает состояние, в котором все основные факторы и процессы остаются более или менее постоянными в течение продолжительного периода времени.
Этот термин используется для описания таких состояний во многих областях науки, таких как:
- химия - химическое равновесие;
- термодинамика - термодинамическое равновесие;
-
биология
Динамическое равновесие помогает поддерживать гомеостаз биологических систем.
Примеры физических и химических процессов, приводящих к равновесному состоянию системы
Три физических процесса, которые достигают равновесного состояния:
- твердое вещество, контактирующее с раствором, в котором расстворено это вещество:
- например кристаллы сахара в насыщенном водном сахарном растворе
- пар над чистой жидкостью:
- например закрытая емкость, содержащая воду
- испарение твердого вещества:
- например, испарение нафталина в закрытом ящике
Два химических процесса, достигающих равновесия, являются:
- реакция, где реагенты и продукты реакции находятся в одной и той же фазе:
- например, реакция между двумя газами с образованием газообразного продукта. Достигнутое им равновесное состояние называется гомогенным равновесием.
Двуокись азота в равновесном состоянии
- Изображение (a) Первоначально флакон содержит только молекулы коричневого газообразного диоксида азота.
- Изображение (б) Некоторые из молекул газообразного диоксида азота были превращены в газообразный тетраоксид диазота, который бесцветен.
- Изображение (c) В конечном итоге устанавливается равновесное состояние, поэтому газ остается одного цвета.
На приведенном выше изображении показаны изменения, которые происходят, когда газообразный диоксид азота NO2 (g) помещается в герметичную камеру при 25°C из которой откачен воздух.
Газообразный диоксид азота реагирует с образованием газообразного тетраоксид диазота, N2O4 (g).
2NO2 (g) → N2O4 (g)
Двуокись азота представляет собой темно-коричневый газ, тогда как тетраоксид диазота бесцветнен.
- реакция, в которой реагенты и продукты реакции находятся в разных фазах:
- например, водный раствор ионов, в котором ионы соединяются с образованием слаборастворимого твердого вещества, которое образует осадок. Достигнутое ими равновесное состояние называется гетерогенным равновесием.
Условия формирования состояния равновесия
Четыре условия, применимые ко всем системам в состоянии равновесия:
1. Равновесие достигается в обратимом процессе, когда скорости прямой и обратной реакций равны.
2. Наблюдаемые (макроскопические) свойства системы в равновесном состоянии постоянны.
В равновесном состоянии не происходит изменения свойств, зависящих от количества вещества в системе.
Примерами этих свойств являются цвет, давление, концентрация и рН.
3. Равновесие может быть достигнуто только в закрытой системе.
Закрытая система - это система, которая не допускает ввода или выхода любого компонента равновесной системы, включая энергию.
По этой причине система может находиться в равновесии, только если она находится при постоянной температуре.
Небольшие изменения в компонентах системы могут иногда не приниматься в расчет. Таким образом, принципы равновесия могут применяться, если система физически не изолирована.
4. Равновесное состояние может быть достигнуто при движении как в направлении прямой, так и обратной реакции.
Для замкнутой системы находящейся в химическом равновесии при постоянных условиях окружающей среды, одни и те же равновесные концентрации при достижения равновесия достигаются независимо от направления реакции.
Прямая и обратная реакции в условиях химического равновесия
Химическое равновесие - состояние реакции, при которой все реагенты и продукты в замкнутой системе достигают постоянных концентраций.
Все виды химические равновесия являются динамическими равновесиями.
Динамическое равновесие - это равновесие, в котором скорости прямого и обратного процессов равны.
Обратимая химическая реакция - реакция, которая протекает как в прямом, так и в обратном направлениях, создавая равновесие в замкнутой системе.
Обратимая химическая реакция в состоянии динамического равновесия
Rate - скорость, Forward rate - скорость прямой реакции, Reverse rate - скорость обратной реакции
Amount - количество вещества, Reactants - исходные вещества, Products - продукты реакции
Химическое равновесие обратимой реакции достигается когда скорости прямой и обратной реакций равны друг другу, а концентрации реагентов и продуктов становятся постоянными.
Положение химического равновесия - относительные концентрации реагентов и продуктов в системе в динамическом равновесии.
Можно предсказать изменения концентрации реагентов и продуктов когда система приближается к равновесию по коэффициентам сбалансированного химического уравнения (стехиометрии).
