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:

  1. химия - химическое равновесие;
  2. термодинамика - термодинамическое равновесие;
  3. 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

Nitrogen dioxide equilibrium

  • 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

A dynamic equilibrium of a reversible reaction

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).

data-matched-content-ui-type="image_card_stacked"