Chemisch evenwicht: Dynamische en statische systemen in chemische reacties

DEEL 2.
THEMA 4. Chemisch evenwicht.
Bij het verloop van een chemische reactie wordt na enige tijd een evenwichtstoestand bereikt (chemisch evenwicht). Het woord "evenwicht" betekent een toestand waarin alle tegengesteld werkende invloeden op het systeem in balans zijn. Een object dat zich in een toestand van stabiel evenwicht bevindt, keert na een verstoring weer terug naar die toestand.

Beide voorbeelden zijn voorbeelden van statisch evenwicht. In de chemie gaat het echter niet zozeer om statisch evenwicht, maar om dynamisch ("bewegend") evenwicht. Dynamisch evenwicht ontstaat wanneer twee omkeerbare of tegengestelde processen in balans zijn. Dynamische evenwichten worden onderverdeeld in fysische en chemische. De belangrijkste typen fysische evenwichten zijn fase-evenwichten. Een systeem bevindt zich in chemisch evenwicht wanneer de snelheid van de heenreactie gelijk is aan die van de terugreactie.

Bijvoorbeeld, als de snelheid van de heenreactie (snelheidsconstante k₁)
k₁ A(g) + B(damp) → AB(g)
gelijk is aan de snelheid van de terugreactie (snelheidsconstante k₂):
k₂ AB(g) → A(g) + B(damp)
dan bevindt het systeem zich in dynamisch evenwicht. Dergelijke reacties worden omkeerbare reacties genoemd, en hun reactievergelijkingen worden genoteerd met een dubbele pijl:
k₁ A(g) + B(damp) ⇌ AB(g)
k₂

Reacties die van links naar rechts verlopen, worden heenreacties genoemd, en van rechts naar links – terugreacties.
Het is belangrijk te benadrukken dat een reactief systeem alleen in dynamisch evenwicht blijft zolang het systeem geïsoleerd is. Een geïsoleerd systeem wisselt geen stoffen of energie uit met de omgeving.

De toestand van chemisch evenwicht bij omkeerbare processen wordt kwantitatief gekarakteriseerd door de evenwichtsconstante. Voor een omkeerbare reactie van het algemene type:
k₁ aA + bB ⇌ cC + dD (1.2.1)
k₂
wordt de evenwichtsconstante K, die de verhouding van de snelheidsconstanten van de heen- en terugreactie voorstelt, als volgt genoteerd (1.2.2):
waarbij Kc de snelheidsconstante is die afhankelijk is van de concentraties van de reagerende componenten; Cᵢ of [ᵢ] – de evenwichts molaire concentratie van component i;
a, b, c, d – de stoichiometrische coëfficiënten van de stoffen.

Aan de rechterzijde van vergelijking (1.2.2) staan de concentraties van de deeltjes die bij evenwicht zijn vastgesteld – de evenwichtsconcentraties.
Vergelijking (1.2.2) is de wiskundige uitdrukking van de wet van de werkzame massa bij chemisch evenwicht. Voor reacties met gassen wordt de evenwichtsconstante uitgedrukt via partiële drukken in plaats van evenwichtsconcentraties. In dit geval wordt de evenwichtsconstante aangeduid met het symbool Kp.
Pᵢ – evenwichtspartiële druk van component i.
Cᵢ – evenwichts molaire concentratie van componenten.
a, b, c, d – stoichiometrische coëfficiënten van stoffen.

Veranderingen in het systeem als gevolg van externe invloeden