Learning Outcomes
- Magyarázza a kémiai egyensúlyt.
- Az \(K\) kiszámítására szolgáló kifejezés megírása.
- A Q és K értékek kiszámítása és összehasonlítása.
- A reaktánsok és termékek relatív mennyiségének előrejelzése az \(K\) egyensúlyi állandó alapján.
Hidrogén- és jódgázok a következő reakció szerint reagálnak hidrogén-jodiddá:
\
\
\
Először csak az előremenő reakció megy végbe, mert nincs jelen \(\ce{HI}\). Amint némi \(\ce{HI}\) keletkezett, elkezd visszabomlani \(\ce{H_2}\)-re és \(\ce{I_2}\)-re. Fokozatosan az előremenő reakció sebessége csökken, míg a fordított reakció sebessége nő. Végül az \(\ce{H_2}\) és \(\ce{I_2}\) egyesülésének sebessége \(\ce{HI}\) keletkezése érdekében megegyezik az \(\ce{HI}\) \(\ce{H_2}\)-re és \(\ce{I_2}\) bomlásának sebességével. Amikor az előremenő és a hátramenő reakció sebessége megegyezik egymással, a reakció elérte az egyensúlyi állapotot. A kémiai egyensúly egy olyan rendszer állapota, amelyben az előremenő reakció sebessége megegyezik a hátramenő reakció sebességével.
A kémiai egyensúlyt akkor is el lehet érni, ha a reakció minden reaktánssal és termék nélkül, minden termékkel és reaktáns nélkül, vagy mindkettőből valamennyivel indul. Az alábbi ábra a \(\ce{H_2}\), \(\ce{I_2}\) és \(\ce{HI}\) koncentrációjának változását mutatja két különböző reakció esetében. A bal oldali grafikonon (A) látható reakcióban a reakció úgy kezdődik, hogy csak \(\ce{H_2}\) és \(\ce{I_2}\) van jelen. Kezdetben nincs \(\ce{HI}\). Ahogy a reakció az egyensúly felé halad, az \(\ce{H_2}\) és az \(\ce{I_2}\) koncentrációja fokozatosan csökken, míg az \(\ce{HI}\) koncentrációja fokozatosan nő. Amikor a görbe kiegyenlítődik, és a koncentrációk mindegyike állandóvá válik, az egyensúlyi állapot beállt. Egyensúlyban az összes anyag koncentrációja állandó.
A B reakcióban a folyamat csak \(\ce{HI}\) és nem \(\ce{H_2}\) vagy \(\ce{I_2}\) jelenlétében indul. Ebben az esetben az \(\ce{HI}\) koncentrációja fokozatosan csökken, míg az \(\ce{H_2}\) és az \(\ce{I_2}\) koncentrációja fokozatosan nő, amíg az egyensúly ismét be nem áll. Vegyük észre, hogy mindkét esetben az egyensúly relatív helyzete ugyanaz, amit a reaktánsok és a termékek relatív koncentrációi mutatnak. Az \(\ce{HI}\) koncentrációja az egyensúlyban lényegesen nagyobb, mint az \(\ce{H_2}\) és az \(\ce{I_2}\) koncentrációja. Ez attól függetlenül igaz, hogy a reakció az összes reaktánssal vagy az összes termékkel kezdődött. Az egyensúly helyzete az adott reverzibilis reakció tulajdonsága, és nem függ attól, hogy az egyensúly hogyan alakult ki.
Az egyensúly feltételei és az egyensúly típusai
Kísértés lehet azt gondolni, hogy az egyensúly elérése után a reakció leáll. A kémiai egyensúly azonban dinamikus folyamat. Az előre- és hátrameneti reakciók az egyensúly elérése után is folytatódnak. Mivel azonban a reakciók sebessége azonos, az egyensúlyban lévő reakció esetében a reaktánsok és a termékek relatív koncentrációja nem változik. Az egyensúlyban lévő rendszer feltételeit és tulajdonságait az alábbiakban foglaljuk össze.
- A rendszernek zártnak kell lennie, ami azt jelenti, hogy a rendszerbe nem léphetnek be és nem távozhatnak anyagok.
- Az egyensúly dinamikus folyamat. Még ha nem is látjuk feltétlenül a reakciókat, mind az előre-, mind a hátrafelé irányuló reakciók zajlanak.
- Az előre- és a hátrafelé irányuló reakciók sebességének egyenlőnek kell lennie.
- A reaktánsok és a termékek mennyiségének nem kell egyenlőnek lennie. Az egyensúly elérése után azonban a reaktánsok és a termékek mennyisége állandó lesz.
Az egyensúly leírása ebben a fogalomban elsősorban a kémiai reakcióban a reaktánsok és a termékek közötti egyensúlyra vonatkozik. Az egyensúly más típusai közé tartozik a fázisegyensúly és az oldategyensúly. Fázisegyensúlyról akkor beszélünk, ha egy anyag két állapot között egyensúlyban van. Például egy elzárt, vízzel teli lombikban akkor áll be az egyensúly, amikor a párolgás sebessége megegyezik a kondenzáció sebességével. Oldási egyensúly akkor áll fenn, ha egy szilárd anyag telített oldatban van. Ekkor az oldódás sebessége megegyezik az átkristályosodás sebességével. Bár ezek mind különböző típusú átalakulások, az egyensúlyra vonatkozó szabályok többsége minden olyan helyzetre érvényes, amelyben egy folyamat reverzibilisen megy végbe.
A vörösvértestek oxigént szállítanak a szövetekbe, hogy azok működni tudjanak. Oxigén hiányában a sejtek nem tudják ellátni biokémiai feladataikat. Az oxigén a vörösvértestekben található fehérjéhez, a hemoglobinhoz kötődve jut el a sejtekhez. Szén-monoxid-mérgezés esetén a \(\ce{CO}\) sokkal erősebben kötődik a hemoglobinhoz, blokkolja az oxigénkötést, és csökkenti a sejtekhez jutó oxigén mennyiségét. A kezelés során a beteg tiszta oxigént lélegzik be, hogy kiszorítsa a szén-monoxidot. Az alább látható egyensúlyi reakció a jobbra tolódást szemlélteti, amikor a rendszerbe többlet oxigént adunk:
\
egyensúlyi állandó
Tekintsük azt a feltételezett reverzibilis reakciót, amelyben a reaktánsok \(\ce{A}\) és \(\ce{B}\) reagálnak, és \(\ce{C}\) és \(\ce{D}\) termékeket képeznek. Ez az egyensúly az alábbiakban ábrázolható, ahol a kisbetűk az egyes anyagok együtthatóit jelölik.
\\
Amint megállapítottuk, az előremenő és a hátramenő reakciók sebessége egyensúlyban megegyezik, így az összes anyag koncentrációja állandó. Mivel ez így van, logikusan következik, hogy bármely adott reakció koncentrációjának aránya egyensúlyban állandó értéket tart. Az egyensúlyi állandó \(\left( K_\text{eq} \right)\) a reakció termékeinek matematikai szorzata és a reakció reaktánsai koncentrációinak matematikai szorzata közötti arány. Az egyes koncentrációkat a kiegyensúlyozott kémiai egyenletben szereplő együtthatójuk hatványára emeljük. A fenti általános reakcióra az egyensúlyi állandó kifejezése a következőképpen írható fel:
\^c \left^d}{\left^a \left^b}\]
A képlet körül szögletes zárójelben feltüntetett egyes anyagok koncentrációit molaritási egységekben \(\left( \text{mol/L} \right)\) mérjük.
Az egyensúlyi állandó értékét bármely reakció esetében csak kísérleti úton lehet meghatározni. Ahogy a fenti szakaszban részleteztük, egy adott reakció egyensúlyi helyzete nem függ a kiindulási koncentrációktól, így az egyensúlyi állandó értéke valóban állandó. Függ azonban a reakció hőmérsékletétől. Ez azért van így, mert az egyensúlyt úgy határozzuk meg, mint az előremenő és a hátramenő reakciók sebességének egyenlőségéből eredő állapotot. Ha a hőmérséklet változik, a reakciósebességek megfelelő változása megváltoztatja az egyensúlyi állandót. Minden olyan reakció esetében, ahol \(K_\text{eq}\) van megadva, meg kell adni a hőmérsékletet.
Ha \(K_\text{eq}\) nagyobb, mint 1, a számláló nagyobb, mint a nevező, tehát a termékek előnyben vannak, vagyis a termékek koncentrációja nagyobb, mint a reaktánsoké.
Ha \(K_\text{eq}\) kisebb, mint 1, akkor a reaktánsok előnyben vannak, mert a nevező (reaktánsok) nagyobb, mint a számláló (termékek).
Ha \(K_\text{eq}\) egyenlő 1, akkor a reaktánsok és a termékek koncentrációja közel azonos.
Reakcióhányados
A reakcióhányadost, \(Q\), akkor használjuk, amikor megkérdezzük, hogy egyensúlyban vagyunk-e. Az \(Q\) kiszámítása pontosan ugyanaz, mint az \(K\) esetében, de az \(K\) értéket csak akkor használhatjuk, ha tudjuk, hogy egyensúlyban vagyunk. Az \(Q\) és az \(K\) összehasonlítása lehetővé teszi a reakció irányának előrejelzését.
- \(Q\) = \(K\) egyensúly
- \(Q\) < \(K\) a reakció jobbra halad, több termék keletkezik és csökken a reaktánsok mennyisége, így az \(Q\) értéke nő
- \(Q\) >. \(K\) reakció balra haladva több reaktáns képződik és csökken a termékek mennyisége, így az \(Q\) értéke csökken
Megosztók és attribútumok
-
CK-12 Alapítvány Sharon Bewick által, Richard Parsons, Therese Forsythe, Shonna Robinson és Jean Dupon.
-
Allison Soult, Ph.D. (Kémiai Tanszék, University of Kentucky)