Streszczenie Chemiczne równowagi i ich zasady
Równowagi chemiczne: Zasady, pH i Reakcje Redoks dla Studenta
Wprowadzenie
Równowaga chemiczna to stan układu, w którym jego skład nie ulega zmianie, pomimo że nieustannie zachodzą w nim procesy chemiczne. Jest to równowaga dynamiczna, w której efekty procesów przeciwbieżnych wzajemnie się znoszą. Równowagę charakteryzuje zerowa zmiana energii Gibbsa: $$\Delta G_{p,T} = 0$$
Definicja: Równowaga chemiczna to stan, w którym szybkości reakcji przeciwbieżnych są sobie równe, a skład układu nie ulega zmianie.
Zapis i ogólne właściwości równowagi
Zapis reakcji równowagowej
Reakcję w stanie równowagi zapisujemy ogólnie jako: $$\ce{\nu_A A + \nu_B B <=> \nu_M M + \nu_N N}$$ Równowaga jest w rzeczywistości układem dwóch równoczesnych reakcji zachodzących w przeciwnych kierunkach.
Szybkości reakcji a stała równowagi (Guldberg–Waage)
Z kinetycznego modelu dla ustalonej równowagi dynamicznej wynika równość szybkości reakcji: $$v_1 = v_2$$ Dla elementarnej formy szybkości reakcji otrzymujemy stosunek stałych szybkości: $$k_1 [A]^{|\nu_A|} [B]^{|\nu_B|} = k_2 [M]^{|\nu_M|} [N]^{|\nu_N|}$$ Z tego wynika definicja stałej równowagi $K$: $$K = \frac{[M]^{|\nu_M|} [N]^{|\nu_N|}}{[A]^{|\nu_A|} [B]^{|\nu_B|}} = \frac{k_1}{k_2}$$
Definicja: Stała równowagi $K$ to iloraz iloczynów stężeń produktów i reagentów podniesionych do potęg odpowiadających ich współczynnikom stechiometrycznym.
Interpretacja wartości $K$:
- Jeśli $K > 10^{4}$, reakcja praktycznie zaszła jednokierunkowo w stronę produktów.
- Jeśli $K < 10^{-4}$, w stanie równowagi znajdują się niemal wyłącznie substraty.
- Dla $10^{-4} < K < 10^{4}$ skład równowagowy określa stopień konwersji.
Stopień konwersji
Stopień konwersji (przemiany) $\alpha$ dla tzw. kluczowego składnika definiuje się jako: $$\alpha = -\frac{\Delta n_A}{(n_A)_0} = \frac{(n_A)_0 - (n_A)_r}{(n_A)_0}$$
Zasada akcji i reakcji (Le Chatelier)
Zasada: Zakłócenie równowagi zewnętrznym oddziaływaniem wywoła proces dążący do zniesienia skutków tego oddziaływania.
Za pomocą tej zasady można wpływać na skład równowagowy poprzez zmianę stężenia, temperatury lub ciśnienia.
Wpływ stężenia
- Dodanie substratu przesunie równowagę w kierunku produktów.
- Usuwanie produktów również przesunie równowagę w kierunku produktów.
Wpływ temperatury
Zmiana temperatury zmienia $K$ w zależności od tego, czy reakcja jest endotermiczna czy egzotermiczna:
- Reakcja endotermiczna ($\Delta_r H > 0$): wraz ze wzrostem temperatury $K$ wzrasta, równowaga przesuwa się w kierunku produktów.
- Reakcja egzotermiczna ($\Delta_r H < 0$): wraz ze wzrostem temperatury $K$ maleje, równowaga przesuwa się w kierunku substratów.
Zależność $K$ od temperatury opisuje równanie van't Hoffa: $$\ln \frac{K_2}{K_1} = -\frac{\Delta_r H^{\circ}}{R}\left(\frac{1}{T_2} - \frac{1}{T_1}\right)$$
Wpływ ciśnienia
Ciśnienie wpływa na równowagę tylko w fazie gazowej, jeśli liczba cząsteczek po lewej i prawej stronie jest różna:
- Np. $$\ce{N2(g) + 3 H2(g) <=> 2 NH3(g)}$$ ma 4 cząsteczki po lewej i 2 cząsteczki po prawej stronie; zwiększenie ciśnienia przesunie równowagę w kierunku produktów.
- Jeśli liczba cząsteczek się nie zmienia, zmiana ciśnienia nie wpłynie na równowagę, np. $$\ce{CO + NO2 <=> CO2 + NO}$$ (2 cząsteczki → 2 cząsteczki).
Wpływ dodatku gazów obojętnych
Dodanie gazu obojętnego zmniejszy ciśnienia parcjalne składników gazowych i działa podobnie jak obniżenie ciśnienia całkowitego.
Wpływ katalizatora
Katalizatory nie zmieniają wartości $K$, ale przyspieszają osiągnięcie stanu równowagi.
Równowagi w roztworach elektrolitów (równowagi jonowe)
Elektrolity podczas rozpuszczania dysocjują na jony. Dzielimy je na:
- Mocne elektrolity: praktycznie całkowita dysocjacja (np. \ce{NaCl}).
- Słabe elektrolity: tylko częściowa dysocjacja (np. \ce{CH3COOH}).
Definicja: Protoliza to przeniesienie protonu między kwasem a zasadą.
Równowagi protolityczne
Przykład dysocjacji kwasu octowego w wodzie: $$\ce{CH3COOH + H2O <=> H3O+ + CH3COO-}$$ Przykład dysocjacji amon
Zarejestruj się po pełne podsumowanieMasz już konto? Zaloguj się
Chemiczna równowaga - przegląd
Klíčové pojmy: Równowaga chemiczna jest dynamiczna: $\Delta G_{p,T}=0$, Stała równowagi $K=\dfrac{[\text{produkty}]}{[\text{reaktanty}]}$ zgodnie ze stechiometrią, Wartość $K$ określa, czy reakcja przebiega praktycznie jednokierunkowo (>$10^{4}$) lub nie zachodzi (<$10^{-4}$), Stopień konwersji $\alpha=-\dfrac{\Delta n_A}{(n_A)_0}$ dla kluczowego składnika, Zasada Le Chateliera: układ reaguje przeciwko zmianom zewnętrznym, Równanie Van't Hoffa: $\ln\dfrac{K_2}{K_1}=-\dfrac{\Delta_r H^{\circ}}{R}\left(\dfrac{1}{T_2}-\dfrac{1}{T_1}\right)$, Ciśnienie wpływa na równowagi gazowe tylko wtedy, gdy zmienia się liczba moli gazu, Iloczyn jonowy wody $K_w=[H3O+][OH-]=10^{-14}$ w $25\,^{\circ}\mathrm{C}$