Summary of Kémiai egyensúlyok és elveik

## Bevezetés A kémiai egyensúly a rendszer olyan állapota, amelyben az összetétele nem változik, annak ellenére, hogy benne kémiai folyamatok zajlanak folyamatosan. Ez egy **dinamikus egyensúly**, amelyben az ellentétes irányú folyamatok hatásai kioltják egymást. Az egyensúlyt a Gibbs-energia nulla változása jellemzi: $$\Delta G_{p,T} = 0$$ > Definíció: A kémiai egyensúly az az állapot, amikor az ellentétes irányú reakciók sebessége azonos, és a rendszer összetétele nem változik. ## Az egyensúly jelölése és általános jellemzői ### Az egyensúlyi reakció jelölése Az egyensúlyi reakciót általánosan a következőképpen jelöljük: $$\ce{\nu_A A + \nu_B B <=> \nu_M M + \nu_N N}$$ Az egyensúly valójában két, ellentétes irányban, egyidejűleg zajló reakció rendszere. ### Sebességek és az egyensúlyi állandó (Guldberg–Waage) A kialakult dinamikus egyensúly kinetikai modelljéből a sebességek egyenlősége következik: $$v_1 = v_2$$ Az elemi reakciók sebességi egyenleteiből a sebességi állandók arányát kapjuk: $$k_1 [A]^{|\nu_A|} [B]^{|\nu_B|} = k_2 [M]^{|\nu_M|} [N]^{|\nu_N|}$$ Ebből következik az egyensúlyi állandó $K$ definíciója: $$K = \frac{[M]^{|\nu_M|} [N]^{|\nu_N|}}{[A]^{|\nu_A|} [B]^{|\nu_B|}} = \frac{k_1}{k_2}$$ > Definíció: Az egyensúlyi állandó $K$ a termékek és a kiindulási anyagok koncentrációinak sztöchiometriai együtthatóikkal hatványozott szorzatainak aránya. A $K$ értékének értelmezése: - Ha $K > 10^{4}$, a reakció gyakorlatilag egyirányban, a termékek felé zajlott le. - Ha $K < 10^{-4}$, az egyensúlyban szinte csak a kiindulási anyagok vannak jelen. - Ha $10^{-4} < K < 10^{4}$, az egyensúlyi összetételt az átalakulási fok határozza meg. ### Átalakulási fok Az átalakulási fok (konverzió) $\alpha$ az ún. kulcsfontosságú komponensre a következőképpen definiálható: $$\alpha = -\frac{\Delta n_A}{(n_A)_0} = \frac{(n_A)_0 - (n_A)_r}{(n_A)_0}$$ ## Az akció és reakció elve (Le Chatelier-elv) > Elv: Az egyensúly külső beavatkozással történő megzavarása olyan folyamatot indít el, amely a beavatkozás hatásának megszüntetésére irányul. E szabály segítségével az egyensúlyi összetétel befolyásolható a koncentráció, hőmérséklet vagy nyomás változtatásával. ### A koncentráció hatása - A kiindulási anyag hozzáadása elmozdítja az egyensúlyt a termékek irányába. - A termékek eltávolítása szintén elmozdítja az egyensúlyt a termékek irányába. ### A hőmérséklet hatása A hőmérséklet változtatásával $K$ értéke megváltozik attól függően, hogy a reakció endoterm vagy exoterm: - Endoterm reakció ($\Delta_r H > 0$): növekvő hőmérséklettel $K$ nő, az egyensúly a termékek felé tolódik el. - Exoterm reakció ($\Delta_r H < 0$): növekvő hőmérséklettel $K$ csökken, az egyensúly a reaktánsok felé tolódik el. $K$ hőmérsékletfüggését a van't Hoff-egyenlet adja meg: $$\ln \frac{K_2}{K_1} = -\frac{\Delta_r H^{\circ}}{R}\left(\frac{1}{T_2} - \frac{1}{T_1}\right)$$ ### A nyomás hatása A nyomás csak akkor befolyásolja az egyensúlyt gázfázisú reakciók esetén, ha a molekulák száma eltér a bal és jobb oldalon: - Pl. $$\ce{N2(g) + 3 H2(g) <=> 2 NH3(g)}$$ 4 molekulát tartalmaz bal oldalon és 2 molekulát jobb oldalon; a nyomás növelése elmozdítja az egyensúlyt a termékek irányába. - Ha a molekulák száma nem változik, a nyomás változása nem befolyásolja az egyensúlyt, pl. $$\ce{CO + NO2 <=> CO2 + NO}$$ (2 molekula → 2 molekula). ### Az inert gázok hatása Egy nem reakcióképes gáz hozzáadása csökkenti a gáz halmazállapotú komponensek parciális nyomását, és hasonlóan hat, mint az össznyomás csökkentése. ### A katalizátor hatása A katalizátorok nem módosítják $K$ értékét, de felgyorsítják az egyensúly beállását. ## Egyensúlyok elektrolitoldatokban (ionegyensúlyok) Az elektrolitok oldódáskor ionokra disszociálnak. Két csoportra osztjuk őket: - **Erős elektrolitok**: gyakorlatilag teljes disszociáció (pl. \ce{NaCl}). - **Gyenge elektrolitok**: csak részleges disszociáció (pl. \ce{CH3COOH}). > Definíció: A protolízis a proton átadása sav és bázis között. ### Protoli