Równowaga chemiczna

Równowaga chemiczna
- odwracalność reakcji chemicznych
- prawo działania mas
- reguła przekory
Odwracalność reakcji chemicznych
– reakcje nieodwracalne
Reakcje nieodwracalne: reakcja, po której
przynajmniej jeden z produktów opuszcza
środowisko reakcji w postaci gazu lub
trudno rozpuszczalnego osadu:
 2NaHCO3  Na2CO3(s) + CO2(g)↑ + H2O(g)↑
 Ba(OH)2 + H2SO4  BaSO4(s)↓ + 2H2O(c)
Reakcja nieodwracalna przebiega do końca
w prawo (w kierunku produktów), aż do
wyczerpania się substratów.
Odwracalność reakcji chemicznych
– reakcje odwracalne
 Reakcje odwracalne: reakcja, której w każdej chwili
towarzyszy reakcja przebiegająca w kierunku
przeciwnym (dzięki temu, że żaden reagent –
substrat, produkt - nie opuszcza środowiska
przemiany):
 3H2(g) + N2(g) ↔ 2NH3(g)
 H2(g) + I2(g) ↔ 2HI(g)
 Reakcja odwracalna nigdy nie przebiega do końca,
a jedynie do osiągnięcia stanu równowagi
dynamicznej, w którym obok produktów w układzie
istnieje określona ilość nieprzereagowanych
substratów.
Stan równowagi dynamicznej
Stanem równowagi dynamicznej określa się
sytuację, w której stan układu nie zmienia się,
ponieważ zachodzące w nim procesy są
dokładnie przeciwne i zachodzą z jednakową
szybkością
Odwracalność reakcji chemicznych polega
na tym, że danemu procesowi towarzyszy
równoczesny proces odwrotny, tzn.,
że powstające produkty mogą reagować
ze sobą odtwarzając substraty.
Stała równowagi – wyprowadzenie
 Stała równowagowa przemiany w układzie: NO2/N2O4:
2NO2(g) ↔ N2O4(g)
 Równanie kinetyczne reakcji przebiegającej
w prawo: v1 = k1 ∙ [NO2] ∙ [NO2] = k1 ∙ [NO2]2
 Równanie kinetyczne reakcji przebiegającej
w lewo: v2 = k2 ∙ [N2O4]
 v1 = v2 stąd:
 Iloraz stałych szybkości (k1 i k2) obu reakcji jest stałą
równowagi chemicznej, tym samym jest to stosunek
iloczynu stężeń produktów do iloczynu stężeń substratów
(stężenia w stanie równowagi dynamicznej).
Stała stężeniowa i jej wymiar
 Przypadek ogólny: A + B ↔ C + D
 Przypadek szczegółowy: n A + x B ↔ y C + z D
[𝑪]𝒚 ∙ [𝑫]𝒛
𝑲𝒄 =
[𝑨]𝒏 ∙ [𝑩]𝒙
 Wymiar stałej równowagowej zależy od współczynników
stechiometrycznych:
 W szczególnych przypadkach stała jest bezwymiarowa – sumy
współczynników stechiometrycznych po prawej i lewej stronie
równania są identyczne (n + x = y + z)
 W pozostałych przypadkach wymiar jej jest przekształconą
jednostką stężenie lub ciśnienia
Stała: stężeniowa, ciśnieniowa
Stężeniowa stała równowagowa dla układu:
 aA+b B↔cC+d D
Ciśnieniowa stała równowagowa dla układu:
 aA+b B↔c C+d D
 p - ciśnienie parcjalne (cząstkowe) w stanie
równowagi w paskalach (Pa)
Stała równowagowa dla układów
homogenicznych
 Układy homogeniczne:

HCOOH(c) + CH3-OH(c) ↔ HCOO-CH3(c) + H2O(c)
 N2(g) + 3 H2(g) ↔ 2 NH3(g)
Stała równowagowa dla układów
heterogenicznych
Układy heterogeniczne:
F2O3(s) + 3 CO(g) ↔ 2 Fe(s) + 3 CO2(g)
lub
CaCO3(s) ↔ CaO(s) + CO2(g)
Kc = [CO2]
lub
Kp = pCO2
Prawo działania mas
(prawo Guldberga i Waagego)
 Stosunek iloczynu stężeń molowych produktów reakcji
(znajdującej się w stanie równowagi) do iloczynu stężeń
molowych substratów reakcji jest wielkością stałą
w danej temperaturze i przy danym ciśnieniu.
 Dla reakcji: 3H2(g) + N2(g) ↔ 2NH3(g)
 wprowadzenie do układu w stanie równowagi
dodatkowych cząsteczek H2 lub N2 spowoduje powstanie
dodatkowych cząsteczek NH3
 wprowadzenie do układu w stanie równowagi
dodatkowych cząsteczek NH3 spowoduje rozpad ich
na H2 i N2.
Reguła przekory – wpływ czynników
zewnętrznych na kierunek przesunięcia
równowagi reakcji chemicznej
Reguła przekory Le Chateliera i Brauna:
Jeżeli na układ znajdujący się w stanie
równowagi działa bodziec zewnętrzny
(zmiana ciśnienia, temperatury, objętości
układu), to w układzie następują zmiany
zmniejszające skutki działania tego bodźca
Reguła przekory – reakcje przebiegające
ze zmianą objętości (ciśnienia)
I przypadek: H2(g) + Cl2(g) ↔ 2 HCl(g)
 We wzorze na stałą równowagową nie występuje
objętość, w związku z tym zmiany wywołane
zmianami ciśnienia zewnętrznego nie mają
wpływu na stan równowagi.
Reguła przekory – reakcje przebiegające
ze zmianą objętości (ciśnienia)
II przypadek: 3 H2(g) + N2(g) ↔ 2 NH3(g)
 We wzorze na stałą równowagową w liczniku
występuje objętość, w tej sytuacji zwiększenie
ciśnienia prowadzące do zmniejszenie objętości
skutkuje wzrostem liczby cząsteczek amoniaku
(działanie zmierzające do utrzymania
dotychczasowego ciśnienia)
Reguła przekory – reakcje przebiegające
ze zmianą objętości (ciśnienia)
 W przypadku reakcji, w której liczba cząsteczek
produktów jest mniejsza od liczby cząsteczek substratów,
zwiększenie ciśnienia powoduje przesunięcie równowagi
w kierunku produktów (w prawo), natomiast zmniejszenie
ciśnienia powoduje przesunięcie równowagi w kierunku
substratów (w lewo).
 W przypadku reakcji, w której liczba cząsteczek
produktów jest większa od liczby cząsteczek substratów,
zwiększenie ciśnienia powoduje przesunięcie równowagi
w kierunku substratów (w lewo), natomiast zmniejszenie
ciśnienia powoduje przesunięcie równowagi w kierunku
produktów (w prawo).
Reguła przekory – reakcje związane
z wydzieleniem lub pochłanianiem ciepła
 Wpływ temperatury na równowagę
 3H2(g) + N2(g) ↔ 2NH3(g) + Q
 H2(g) + I2(g) ↔ 2HI(g) – Q
 Podwyższenie temp. powoduje:
 wzrost stałej równowagowej reakcji zachodzącej
z pochłonięciem ciepła (obniżenie wartości mianownika iloczynu substratów), czyli przesunięcie w kierunku
produktów – w prawo
 obniżenie stałej równowagowej zachodzącej
z wydzieleniem ciepła (wzrost wartości mianownika –
iloczynu substratów), czyli przesunięcie w kierunku
substratów w lewo
Reguła przekory – reakcje związane
z wydzieleniem lub pochłanianiem ciepła (cd)
Reakcja przebiegająca
w prawo z wydzieleniem
ciepła (ciepło – produkt)
Reakcja przebiegająca
w prawo
z pochłanianiem ciepła
(ciepło – substrat)
Podwyższenie
temperatury
 Przesunięcie równowagi
w lewo
 Wartość stałej
równowagowej maleje
 Przesunięcie równowagi
w prawo
 Wartość stałej
równowagowej rośnie
Obniżenie
temperatury
 Przesunięcie równowagi
 w prawo
 Wartość stałej
równowagowej rośnie
 Przesunięcie równowagi
w lewo
 Wartość stałej równowagi
maleje