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 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: a A + b B ↔ c C + d D Ciśnieniowa stała równowagowa dla układu: 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

Reakcja przebiegająca w prawo z wydzieleniem ciepła (ciepło – produkt) 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 równowagi maleje