Kemiallinen tasapaino: Reaktioiden tasapainotilojen ymmärtäminen ja laskeminen

OSA 2.
AIHE 4. Kemiallinen tasapaino.
Kemiallisen reaktion aikana tasapaino (kemiallinen tasapaino) saavutetaan tietyn ajan kuluttua. Sana "tasapaino" tarkoittaa tilaa, jossa kaikki järjestelmään vaikuttavat vastakkaiset voimat ovat tasapainossa. Vakaassa tasapainotilassa oleva esine osoittaa kykyä palata tähän tilaan minkä tahansa häiritsevän vaikutuksen jälkeen.

Reaktiot, jotka etenevät vasemmalta oikealle, kutsutaan suoriksi, ja oikealta vasemmalle – käänteisiksi.
On korostettava, että reaktiivinen järjestelmä pysyy dynaamisessa tasapainotilassa vain niin kauan kuin järjestelmä on eristetty. Eristetty järjestelmä on sellainen, joka ei vaihda ympäristön kanssa aineita tai energiaa.
Kemiallisen tasapainon tila käänteisten prosessien osalta kuvataan määrällisesti tasapainovakiolla. Esimerkiksi yleiselle käänteiselle reaktiolle
k1 aA + bB ⇌ cC + dD (1.2.1)
k2
tasapainovakio K, joka on suoran ja käänteisen reaktion nopeusvakioiden suhde, voidaan kirjoittaa (1.2.2)
missä Kc on reaktion nopeusvakio, joka riippuu reagoivien komponenttien konsentraatiosta; C_i tai [i] on i:n komponentin tasapainomolaarinen konsentraatio;
a, b, c, d ovat aineiden stoikiometriset kertoimet.
Yhtälön (1.2.2) oikealla puolella ovat vuorovaikutuksessa olevien hiukkasten konsentraatiot, jotka saavutetaan tasapainossa – tasapainokonsentraatiot.
Yhtälö (1.2.2) on matemaattinen ilmaus kemiallisen tasapainon massatoimintalain mukaan. Kaasujen osalta tasapainovakio ilmaistaan osapaineiden kautta, ei niiden tasapainokonsentraatioiden kautta. Tällöin tasapainovakio merkitään symbolilla Kp.
R_i on i:n komponentin tasapainopaine.
C_i on komponenttien tasapainomolaarinen konsentraatio.
a, b, c, d ovat aineiden stoikiometriset kertoimet.
Kemiallisen tasapainon tila tietyissä ulkoisissa olosuhteissa voi teoriassa säilyä ikuisesti. Todellisessa maailmassa, eli lämpötilan, paineen tai reaktanttien konsentraation muuttuessa, tasapaino voi "siirtyä" prosessin kulun suuntaan.
Järjestelmässä ulkoisten tekijöiden aiheuttamat muutokset määritellään liikkuvan tasapainon periaatteella – Le Chatelier’n periaatteella. Kun tasapainoiseen järjestelmään vaikuttaa ulkoinen tekijä, tasapaino siirtyy niin, että tämä tekijän vaikutus vähenee.

1. Paineen vaikutus kemiallisen reaktion tasapainoon (kaasuvaiheessa tapahtuvan reaktion tapauksessa).
   aA + bB ⇌ cC + dD

• jos reaktio etenee aineiden määrän kasvattamiseen a + b < c + d, paineen nousu siirtää tasapainon kemiallisessa reaktiossa oikealle.

• jos reaktio etenee aineiden määrän vähenemiseen a + b > c + d, paineen nousu siirtää tasapainon vasemmalle.

• jos aineiden määrä on sama a + b = c + d, paineen muutos ei vaikuta tasapainon sijaintiin.

2. Neutraalin kaasun vaikutus. Neutraalin kaasun lisääminen on samanlainen kuin paineen vähentäminen (Ar, N2, vesihöyry). Neutraali kaasu ei osallistu reaktioon.

3. Reagoivien aineiden konsentraation muutoksen vaikutus. Kun lisätään ylimääräistä ainetta, kemiallisen reaktion tasapaino siirtyy siihen suuntaan, jossa aineen konsentraatio vähenee.

4. Lämpötilan vaikutus kemialliseen tasapainoon.
   Jos tasapainoiseen järjestelmään lisätään lämpöä, järjestelmä tekee muutoksia lievittääkseen tämän vaikutuksen, eli tapahtuu prosesseja, jotka imevät lämpöä. Eksotermeissä reaktioissa lämpötilan lasku siirtää tasapainon vasemmalta oikealle, ja endotermisissä reaktioissa lämpötilan nousu siirtää tasapainon oikealta vasemmalle.
   Kp:n lämpötilariippuvuus – Van't Hoffin yhtälö.
   (); lnkT 1 – lnkT 2 =
   Esimerkit tehtävistä

5. Typpikaasun ja vedyn välinen reaktio on käänteinen ja tapahtuu seuraavan yhtälön mukaan:
   N2 + 3H2 ⇌ 2NH3. Tasapainotilassa osallistuvien aineiden konsentraatiot olivat: [N2] = 0,01 mol/l, [H2] = 2,0 mol/l, [NH3] = 0,40 mol/l. Laske tasapainovakio ja alkuperäiset typpikaasun ja vedyn konsentraatiot.
   Ratkaisu:
   Annetulle reaktiolle
   Aseta tasapainokonsentraatioiden arvot ja saat k = 2
   Reaktioyhtälön mukaan 1 mooli typpeä ja 3 moolia vetyä tuottavat 2 moolia ammoniakkia, joten 0,4 moolin ammoniakin muodostamiseen tarvittiin 0,2 moolia typpeä ja 0,6 moolia vetyä. Näin alkuperäiset konsentraatiot ovat [N2] = 0,01 mol/l + 0,2 mol/l = 0,21 mol/l,
   [H2] = 2,0 mol/l + 0,6 mol/l = 2,6 mol/l.
   Vastaus: K_rav = 2; C0 (N2) = 0,21 mol/l ja C0 (H2) = 2,6 mol/l.
   ...