Równowaga chemiczna (c.d.).

Prezentacja na temat: "Równowaga chemiczna (c.d.)."— Zapis prezentacji:

1 Równowaga chemiczna (c.d.)

2 (dyskusja jakościowa)

3 substraty <---> produkty
W wyniku reakcji chemicznej substraty są zużywane, a kosz-tem nich powstają produkty - w efekcie stężęnie substratów maleje, a stężenie produktów rośnie - w miarę jak stężenie substratów maleje, maleje szybkość danej reakcji Jak się okazuje, w przypadku niektórych r. chemicznych pro-dukty mogą uleć reakcji odwrotnej, w wyniku której odtwo-rzeniu ulegają substraty - gdy stężenie produktów wzrasta, wzrasta szybkość reakcji odwrotnej Taka reakcja chemiczna nazywana jest Reakcją Odwracalną asd substraty <---> produkty

4 ---> Stan równowagi dynamicznej <---
Z czasem, gdy reakcje w kierunku produktów spowalnia, odwrotna reakcja przyspiesza, aż ich szybkość zrównuje się. Taki stan, stan równowagi pomiędzy stężeniem produktów oraz substratów, nazywamy stanem równowagi dynamicznej. W stanie równowagi dynamicznej stężenie produktów i substratów nie zmienia się gdyż są w równym stopniu, z tą samą szybkością, reprodukowane. ---> Stan równowagi dynamicznej <---

5 Przykład (jodowodór)

6 H2(g) + I2(g) <-> 2 HI(g)
Przykład: H2(g) + I2(g) <-> 2 HI(g) W pierwszym etapie reakcji nie ma produktów, a więc reakcja może bieć tylko w kierunku produktów: [H2]=8, [I2]=8, [HI]=0.

7 H2(g) + I2(g) <-> 2 HI(g)
Przykład: H2(g) + I2(g) <-> 2 HI(g) Po 16 j. czasu zarówno substraty jak i produkty znajdują się w mieszaninie; płyną zatem zarówno r. w przód jak i r. odwrotna: [H2]=6, [I2]=6, [HI]=4.

8 H2(g) + I2(g) <-> 2 HI(g)
Przykład: H2(g) + I2(g) <-> 2 HI(g) Po 32 j. czasu jest już więcej produktów niż substratów; r. w kierunku substratów zwalnia, a r. odwrotna przyspiesza : [H2]=4, [I2]=4, [HI]=8.

9 H2(g) + I2(g) <-> 2 HI(g)
Przykład: H2(g) + I2(g) <-> 2 HI(g) Po 48 j. czasu ilość produktów I substratów nie ulega zmianie; r. w kierunku produktów I r. odwrotna biegną z tą sama szybkością: [H2]=4, [I2]=4, [HI]=8.

10 Przykład: H2(g) + I2(g) <-> 2 HI(g)

11 Przykład: H2(g) + I2(g) <-> 2 HI(g)

12 Przykład (hemoglobina)

13 Przykład: Hb + O2 <-> HbO2 Hemoglobina (Hb) to związek z grupy protein występujący w czerwonych krwinkach. Hemoglobina reaguje z gazowym tlenem (O2) tworząc kompleks. W stanie równowagi dynamicznej utrzymuję się następujący proces: Hb + O2 <-> HbO2

14 Ważne: stężenia poszczególnych składników zależą od siebie.
Przykład: Hb + O2 <-> HbO2 Ważne: stężenia poszczególnych składników zależą od siebie. Względne stężenie [Hb], [O2] oraz [HbO2] w stanie równowagi zależą od stałej równowagi chemicznej K - większa wartość K wskazuje na większe równowagowe stężenie produktów Zatem: zmiana stężenia jednego z reagentów ma wpływ na stężenie pozostałych składników.

15 Przykład: Hb + O2 <-> HbO2 Co dzieje się w płucach? W płucach stężenie tlenu jest duże; równowaga reakcji przesuwa się zatem w kierunku produktu HbO2 W warunkach dużej dostępności jednego z substratów cała dostępna hemoglobina łączy się z tlenem tworząc kompleks.

16 Przykład: Hb + O2 <-> HbO2 Co dzieje się w tkankach (np. mięśniach)? W mięśniach stężenie wolnego tlenu jest małe; równowaga reakcji przesuwa się zatem w kierunku substratów (Hb + O2) W warunkach małej dostępności jednego z substratów kompleks hemoglobiny z tlenem rozpada się; uwalnia się tlen.

17 Ciekawostka:

18 Ciekawostka: O2 / CO / CN-

19 Ważne: równowaga ≠ równość

20 W stanie równowagi chemicznej, równe są stałe szybkości reakcji chemicznej w kierunku produktów i reakcji odwrotnej. W stanie równowagi chemicznej nie są równe stężenia substratów i produktów (w szczególnym przypadku mogą być) v W niektórych reakcjach reakcja faworyzuje produkty, tak, że w stanie równowagi niemal nie obserwuje się substratów. W niektórych przypadkach reakcja faworyzuje substraty, tak, że ilość produktu w stanie równowagi jest bardzo mała.

21 Ujęcie matematyczne (ilościowe)

22 Prawo działania mas (Prawo Guldberga i Waagego) W przypadku reakcji równowagowej:

23 Prawo działania mas (Prawo Guldberga i Waagego) W przypadku reakcji równowagowej:

24 Prawo działania mas (Prawo Guldberga i Waagego) W przypadku reakcji równowagowej:

25 Prawo działania mas (Prawo Guldberga i Waagego) W przypadku reakcji równowagowej:

26 Prawo działania mas (Prawo Guldberga i Waagego) W przypadku reakcji równowagowej:

27 W przypadku reakcji równowagowej dla, której Keq
W przypadku reakcji równowagowej dla, której Keq. << 1, w stanie równowagi ilość substratów będzie znacznie prze-wyższać ilość produktów. Stan równowagi preferuje substraty W przypadku reakcji równowagowej dla, której Keq. >> 1, w stanie równowagi ilość produktów będzie znacznie prze-wyższać ilość substratów. Stan równowagi preferuje produkty

28 Przykłady

29

30

31 w sensie matematycznym
Odwracalność w sensie matematycznym

32 Gdy rozpatrujemy r. odwrotną, jej stała równowagi jest odwrotnością r
Gdy rozpatrujemy r. odwrotną, jej stała równowagi jest odwrotnością r. w kierunku produktów

33 Gdy ilość składników zostanie zwiększona, wartość stałej dla nowej reakcji zwiększa się potęgowo.

34 W przypadku reakcji złożonych, stała równowagi reakcji wypadkowej jest iloczynem stałych reakcji pośrednich.

35 Stałe równowagi dla reakcji
w fazie gazowej

36 W ogólności, stężenie reagenta gazowego w mieszaninie jest proporcjonalne do jego ciśnienia cząstkowego. W związku z tym, można zrezygnować z zapisu w postaci stężeń równowagowych [X]x i odwołać się do ciśnień pxx. W ogólności stała Kc i Kp nie są sobie równe (choć mogą być). sdfn

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46 Stałe równowagi dla reakcji
heterogenicznych

47 Zakładamy, że stężęnia czystych ciał stałych oraz cieczy nie zmieniają się w czasie.
Ponieważ stężenia te nie ulegają zmianie, nie są uwzglę-dniane w równaniu na stałą równowagi chemicznej. Przykład:

48 Zakładamy, że stężęnia czystych ciał stałych oraz cieczy nie zmieniają się w czasie.
W takim układzie ilość węgla, C(s), jest różna jednak ilość CO i CO2 pozostaje taka sama. Oznacza to, że ilość węgla nie ma wpływu na stan równowagi chemicznej tej reakcji.

49 Jak wyznaczyć stałą równowagi chemicznej

50 Najprostszym sposobem wyznaczenia stałej równowagi chemicznej jest pomiar stężenia reagentów w stanie równowagi Mieszanina reakcyjna może zawierać różne ilości reagentów ale stała równowagi będzie zawsze taka sama (dla danej T) Innymi słowy: stała równowagi chemicznej NIE ZALEŻY od początkowego stężenia substratów i produktów; jedynie od T.

51

52 Dlaczego warto znać wartość stałej Kc

53 Znając równanie reakcji (jego stechiometrię) oraz wartość stałej Kc/Kp można wyznaczyć wartość stężeń równo-wagowych wszystkich reagentów znając steżenia początkowe substratów oraz jedne stężenie równowagowe. Innymi słowy: stała równowagi chemicznej NIE ZALEŻY od początkowego stężenia substratów I produktów; jedynie od T. Dodatkowo, znając pewne stężenia początkowe oraz stałą r. chemicznej można łatwo wyznaczyć zmiany stężeń pozostałych reagentów.

54 reakcji chemicznej Qc/Qp
Współczynnik reakcji chemicznej Qc/Qp

55 Współczynnik reakcji chemicznej Q
Wyrażenia w równaniu na Q odnoszą się do chwilowych stężeń / chwilowych ciśnień cząstkowych a nie do wartości równowagowych. Zatem: znajomość Qc/p oraz Kc/p pozwala określić dalszy bieg reakcji chemicznej.

56 Jeśli zatem współczynnik reakcji chemicznej Q = 0 reakcja dopiero się rozpoczyna i będzie biegła w kierunku produktów.

57 Jeśli zatem współczynnik reakcji chemicznej Q < K reakcja będzie przebiegać w kierunku powstawania substratów.

58 Jeśli zatem współczynnik reakcji chemicznej Q = K reakcja znajduje się w stanie równowagi dynamicznej.

59 Jeśli zatem współczynnik reakcji chemicznej Q > K reakcja będzie przebiegać w kierunku powstawania substratów.

60 Zaburzenie stanu równowagi

61 Co się dzieje w stanie równowagi
Co się dzieje w stanie równowagi? W stanie równowagi stężenia reagentów (substratów I produktów) nie ulegają już zmianie – pozostają stałe. Niemniej, w przypadku zmiany warunków reakcji stężenia mogą ulec zmianie aby dostosować się do nowych warunków równowagi. Co ważne: nowe stężenia reagentów zmienią się ale stała równowagi chemicznej nadal pozostanie taka sama (ulegnie zmianie dopiero wtedy gdy zmieni się temperatura).

62 Reguła La Chateliera-Browna

63 Reguła przekory (reguła La Chateliera-Browna) pozwala przewidywać zmiany w postępie, a nawet w kierunku danej reakcji przy założeniu, że pojawia się czynnik destabilizujący. Istota reguły mówi, że gdy system zostanie zabużony, stan równowagi przesunie się w taki sposób aby zminimalizować efekt zaburzenia.

64 - jak taka zmiana wpłynie na szybkość reakcji?
Przypadek 1: Równowaga została osiągnięta; dodatkowa ilość substratu została wprowadzona do układu. - jak taka zmiana wpłynie na szybkość reakcji? - jak taka zmiana wpłynie na szybkość reakcji odwrotnej? - jak taka zmiana wpłynie na wartość stałej K? Dodatek jednego z substratów zwiększy szybkość reakcji w kierunku produktów Początkowo szybkość reakcji odwrotnej nie wzrasta ale z czasem już tak Reakcja postępuje “w prawo” aż do osiągnięcia nowego stanu równowagi W nowym stanie równowagi ilość produktów będzie większa, zmniejszy się ilość już obecnego substratu oraz zmniejszy się ilość nowododanego substratu (ale nie do poziomu sprzed “dodania” go) W nowym stanie równowagi, stosunek reagentów będzie odpowiadał tej samej wartości K co przed zmianą.

65 - jak taka zmiana wpłynie na szybkość reakcji?
Przypadek 2: Równowaga została osiągnięta; pewna ilość substratu została usunięta z układu. - jak taka zmiana wpłynie na szybkość reakcji? - jak taka zmiana wpłynie na szybkość reakcji odwrotnej? - jak taka zmiana wpłynie na wartość stałej K? Usuwanie substratu zmniejsza szybkość reakcji w stronę produktów Jednocześnie szybkość reakcji odwrotnej wzrasta Reakcja postępuje “w lewo” aż do osiągnięcia nowego stanu równowagi W nowym stanie równowagi ilość produktów będzie mniejsza, zwiększy się ilość substratu nie-usuwanego oraz zwiększy się ilość substratu usuwanego (ale nie do poziomu sprzed “usunięcia” go) W nowym stanie równowagi, stosunek reagentów będzie odpowiadał tej samej wartości K co przed zmianą.

66 - jak taka zmiana wpłynie na szybkość reakcji?
Przypadek 3: Równowaga zostaje zaburzona przez zmianę stężenia substratów - jak taka zmiana wpłynie na szybkość reakcji? - jak taka zmiana wpłynie na szybkość reakcji odwrotnej? - jak taka zmiana wpłynie na wartość stałej K? Zmiana c substratu spowoduje zwiększenie się ilości produktów Obniżenie stężenia jednegoz produktów zwiększy ilość pozostałych produktów Usuwanie produktu może być wygodnym narzędziem zwiększania wydajności Równowaga chemiczna ma to do siebie, że “przemieszcza “ się w kierunku usuniętych reagentów. Równowaga ma na celu odtworzenie tego co ubyło lub ilościowego zrekompensowania straty innym produktem.

67 Przykład:

68

69

70 Dodatek gazowego substratu zwiększa jego ciśnienie cząstkowe, równowaga przesuwa się zatem w prawo, w kierunku produktów. – wzrost ciśnienia cząstkowego zwiększa bowiem stężenie – w tym samym czasie ciśnienia cząstkowe innych substratów nie ulegają zmianie Dodatek OBOJĘTNEGO gazu do mieszaniny nie ma żadnego wpływu na położenie stanu równowagi – ciśnienia cząstkowe reagentów nie ulegają po prostu zmanie

71 Zmiana objętości układu wpływa na stężenie reagentów; stężenia wszystkich gazów de facto wzrastają.
- w związku z tym wzrastają ciśnienia cząstkowe wszystkich reagentów - w związku z tym, iż wszystkie ciśnienia cząstkowe wzrastają wzrasa oczywiście ciśnienie całej mieszanki - wedle reguły przekory równowaga powinna przesunać się tak aby przeciwdziałać tej zmianie - sposobem na redukcję ciśnienia jest zmniejszenie ilości molekuł w układzie reakcyjnym Wniosek: gdy objętość maleje rónowaga przesuwa się w kie-runku mniejszej ilości molekuł.

72

73

74 Reakcje egzotermiczne to reakcje w wyniku których wydzie-la się energia w postaci ciepła.
Analogicznie, reakcje endotermiczne to takie, które aby zajść potrzebują energii zewnętrznej w postaci ciepła. Aby lepiej zrozumieć istotę reguły przekory owe ciepło można zapisać/potraktować jako substrat lub produkt danej reacji chemicznej . (jest to w tej chwili zabieg czysto techniczy, ciepło nie jest bowiem obiektem materialnym i nie można wpisać go w równanie stechiometryczne – wrócimy do tego tematu później podczas szczegółowego omawiania termodynamki).

75 W przypadku reakcji egzotermicznej potraktujemy ciepło jako produkt reakcji (co nie jest formalnie prawdą). W związku z tym, zwiększenie temperatury możemy interpreto-wać jako dodatek ciepła do układu. W takim razie, zgodnie z regułą przekory, układ wytrącony z równowagi przez dodanie ciepła będzie przeciwdziałał tej zmia-nie.

76 Dodatek ciepła do reakcji egzotermicznej spowoduje spadek stężenia produktów oraz wzrost stężenia substratów Co ważniejsze, dodatek ciepła do reakcji spowoduje zmniej-szenie wartości stałej K Jak zatem na taki układ wpłynie obniżenie temperatury (a zatem w uproszczeniu, sytuacja w której usuwamy ciepło?)

77 W przypadku reakcji endotermicnej, ciepło jest swego rodzaju “substratem”.
Ponownie, zwiększenie temperatury można interpretować jako “dodatek ciepła”. Analogicznie, zgodnie z regułą przekory, dodatek ciepła spowoduje przesunięcie reakcji w kierunku produktów. Proszę zwrócić uwagę, że zmianie ulega tu jednak stała K !!!

78

79 c. d. n.