KÉMIAI EGYENSÚLY: A KÉMIAI REAKCIÓK EGYENSÚLYI ÁLLAPOTA

RÉSZ 2.
TÉMA 4. Kémiai egyensúly.
Kémiai reakciók során egy bizonyos idő elteltével egyensúlyi állapot (kémiai egyensúly) alakul ki. Az „egyenesúly” szó olyan állapotot jelent, amelyben minden, a rendszerre ható ellentétes irányú beavatkozás kiegyenlített. A stabil egyensúlyi állapotban lévő test képes visszatérni ebbe az állapotba, miután valamilyen zavaró hatás érte.

A balról jobbra haladó reakciókat közvetlen reakciónak, a jobbról balra haladókat pedig visszafordított reakciónak nevezik.
Fontos hangsúlyozni, hogy a reakciós rendszer dinamikus egyensúlyi állapotban marad mindaddig, amíg a rendszer elszigetelt marad. Az elszigetelt rendszer olyan rendszer, amely nem cserél sem anyagot, sem energiát a környezettel.
A kémiai egyensúlyi állapotot a visszafordítható folyamatok esetében a következő egyensúlyi állandóval jellemezhetjük. Tehát egy általános visszafordítható reakció esetén:
k1 aA + bB ↔ cC + dD (1.2.1)
k2
az egyensúlyi állandó K a közvetlen és visszafordított reakció sebességi állandóinak hányadosaként kifejezhető (1.2.2):
K = (k1 / k2) = ([C]^c * [D]^d) / ([A]^a * [B]^b)
ahol, Kc – a reakció sebességi állandója, amely a reagáló komponensek koncentrációjától függ; [i] – az i komponens egyensúlyi moláris koncentrációja;
a, b, c, d – a reagáló anyagok sztöchiometriai együtthatói.
A képlet jobb oldalán szereplő koncentrációk az interakcióban lévő részecskék egyensúlyi koncentrációit jelzik.
A képlet (1.2.2) a kémiai egyensúlyban lévő reakciók tömeghatás törvényének matematikai kifejezése. Gáznemű anyagokkal kapcsolatos reakciók esetén az egyensúlyi állandó a parciális nyomásokon keresztül is kifejezhető, nem pedig azok egyensúlyi koncentrációin. Ebben az esetben az egyensúlyi állandót Kr szimbólummal jelöljük.
Ri – az i komponens egyensúlyi parciális nyomása.
Ci – a komponensek egyensúlyi moláris koncentrációja.
a, b, c, d – a reagáló anyagok sztöchiometriai együtthatói.
A kémiai egyensúlyi állapot a változó külső feltételek mellett elméletileg végtelen ideig megmaradhat. A valóságban, tehát hőmérséklet, nyomás vagy reagáló anyagok koncentrációjának változása következtében az egyensúly „eltolódhat” a folyamat egyik vagy másik irányába.
A rendszert érő külső hatásokkal kapcsolatos változások a mozgó egyensúly elméletének – Le Chatelier-Braun elv – alapján meghatározhatók. Ha bármely külső tényező hat a rendszerre, akkor az egyensúly az ilyen hatás enyhítése érdekében eltolódik.

1. A nyomás hatása a kémiai reakció egyensúlyára (gázfázisú reakciók esetén).
   aA + bB ↔ cC + dD

• ha a reakció során a komponensek száma nő (a + b < c + d), akkor a nyomás növelése az egyensúlyt jobbról balra tolja.

• ha a reakció során a komponensek száma csökken (a + b > c + d), akkor a nyomás növelése az egyensúlyt balról jobbra tolja.

• ha a komponensek száma egyenlő (a + b = c + d), akkor a nyomás változása nem befolyásolja az egyensúly helyzetét.

2. Az inert gázok hatása. Az inert gázok bevezetése hasonló a nyomás csökkentésének hatásához (Ar, N2, vízgőz). Az inert gáz nem vesz részt a reakcióban.

3. A reagáló anyagok koncentrációjának változása. Ha egy további mennyiséget adunk hozzá a rendszerhez, akkor a kémiai reakció egyensúlya eltolódik az irányba, ahol a koncentráció csökken.

4. A hőmérséklet hatása a kémiai egyensúlyra.
   

   Ha a rendszerhez hőt adunk, akkor a rendszer úgy reagál, hogy csökkentse ezt a hatást, tehát a hőt elnyelő folyamatok zajlanak. Exoterm reakciók esetén a hőmérséklet csökkentése az egyensúlyt balról jobbra tolja, endoterm reakciók esetén pedig a hőmérséklet növelése az egyensúlyt jobbról balra tolja.
   
   Kr hőmérséklettől való függése – van't Hoff egyenlet:
   ( ) ln(kT1) – ln(kT2) =
   Példák a feladatok megoldására:

5. Az nitrogén és hidrogén egyesülésének reakciója visszafordítható, és az alábbi egyenleten zajlik:
   N2 + 3H2 ↔ 2NH3. Az egyensúlyi állapotban a következő koncentrációk voltak: [N2] = 0,01 mol/l, [H2] = 2,0 mol/l, [NH3] = 0,40 mol/l. Számítsa ki az egyensúlyi állandót és a kiindulási koncentrációkat a nitrogén és hidrogén esetében.
   Megoldás:
   Az adott reakcióhoz
   Ha behelyettesítjük az egyensúlyi koncentrációkat, akkor= 2
   A reakció egyenlete alapján 1 mol nitrogén és 3 mol hidrogén reakciójából 2 mol ammónia keletkezik, tehát 0,4 mol ammónia keletkezéséhez 0,2 mol nitrogén és 0,6 mol hidrogén kellett. Így a kiindulási koncentrációk [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).
   Válasz: Krav = 2; C0 (N2) = 0,21 mol/l és C0 (H2) = 2,6 mol/l.

6. Egy mól propén és hidrogén keveréke, melynek hidrogénre vonatkozó sűrűsége 15, zárt edényben platina katalizátorral 320°C-on felmelegedett, és az edényben lévő nyomás 25%-kal csökkent. Számítsa ki a reakció hozamát a teoretikus értékhez képest. Mennyi százalékkal csökken a nyomás az edényben, ha ugyanebben a kísérletben 1 mól azonos gázkeveréket használnak, amelynek hidrogénre vonatkozó sűrűsége 16?
   

   Megoldás:
   C3H6 + H2 ↔ C3H8

1. Legyen ν(C3H6) = x, ν(H2) = 1 - x, tehát a keverék tömege 42x + 2(1 - x) = 2 * 15 = 30, ahonnan x = 0,7 mol, tehát ν(C3H6) = 0,7 mol, ν(H2) = 0,3 mol.
   A nyomás 25%-kal csökkent, mivel a reakció következtében a molok száma 25%-kal csökkent. Tegyük fel, hogy y mol H2 vett részt a reakcióban, akkor a reakció után: ν(C3H6) = 0,7 - y, ν(H2) = 0,3 - y, ν(C3H8) = y.
   Az összes mol szám: 0,75 = (0,7 - y) + (0,3 - y) + y, ahonnan y = 0,25 mol.
   Teoretikusan 0,3 mol C3H8 keletkezhetett (H2 hiányos), tehát a hozam . Az egyensúlyi állandó ezen feltételek mellett

2. A második esetben legyen ν(C3H6) = a mol, ν(H2) = (1 - a) mol, tehát a keverék tömege 42a + 2(1 - a) = 2 * 16 = 32, ahonnan a = 0,75, tehát ν(C3H6) = 0,75, ν(H2) = 0,25. Tegyük fel, hogy b mol H2 vett részt a reakcióban. Az egyensúlyi állandó szerint ezt az értéket a következő egyenletből számolhatjuk:
   b = 0,214 mol
   A reakció után a molok száma: 0,214 * (1 - b)%