Learning Outcomes
- Explain chemical equilibrium.
- Write expression for calculating \(K\).
- Calculate and compare Q and K values.
- Predict relative amounts of reactants and products based on equilibrium constant \(K\).
Gazy wodór i jod reagują tworząc jodek wodoru zgodnie z następującą reakcją:
Początkowo zachodzi tylko reakcja wyprzedzająca, ponieważ nie ma w niej \(\). Jak tylko powstanie trochę \(\HI}), zaczyna się rozkładać z powrotem na \(\ce{H_2}) i \(\ce{I_2}). Stopniowo szybkość reakcji postępującej maleje, podczas gdy szybkość reakcji odwrotnej rośnie. W końcu szybkość łączenia się ^H_2}} i ^I_2}} w celu utworzenia ^H_2} staje się równa szybkości rozkładu ^H_2} na ^H_2} i ^I_2}}. Gdy szybkości reakcji w przód i w tył są sobie równe, reakcja osiągnęła stan równowagi. Równowaga chemiczna to taki stan układu, w którym szybkość reakcji postępującej jest równa szybkości reakcji odwrotnej.
W reakcji B proces rozpoczyna się tylko z \(\ce{HI}} i nie ma \(\ce{H_2}} ani \(\{I_2}}. W tym przypadku stężenie _CHI} stopniowo maleje, podczas gdy stężenia _CH_2} i _CI_2} stopniowo rosną, aż do ponownego osiągnięcia równowagi. Zauważmy, że w obu przypadkach względne położenie równowagi jest takie samo, o czym świadczą względne stężenia reagentów i produktów. Stężenie ∗HI}} w stanie równowagi jest znacznie wyższe niż stężenia ∗H_2} i ∗I_2}. Jest to prawdą niezależnie od tego, czy reakcja rozpoczęła się z udziałem wszystkich reagentów, czy wszystkich produktów. Położenie równowagi jest właściwością danej reakcji odwracalnej i nie zależy od tego, w jaki sposób równowaga została osiągnięta.
Warunki równowagi i typy równowagi
Kuszące może być myślenie, że po osiągnięciu równowagi reakcja ustaje. Równowaga chemiczna jest procesem dynamicznym. Reakcje zachodzące w przód i w tył zachodzą nadal, nawet po osiągnięciu równowagi. Ponieważ jednak szybkości reakcji są takie same, nie dochodzi do zmiany względnych stężeń reagentów i produktów w reakcji, która jest w stanie równowagi. Warunki i właściwości systemu w równowadze są podsumowane poniżej.
- System musi być zamknięty, co oznacza, że żadne substancje nie mogą wejść lub wyjść z systemu.
- Equilibrium jest procesem dynamicznym. Nawet jeśli niekoniecznie widzimy reakcje, zachodzą zarówno w przód, jak i w tył.
- Szybkość reakcji w przód i w tył musi być równa.
- Ilości reagentów i produktów nie muszą być równe. However, after equilibrium is attained, the amounts of reactants and products will be constant.
Opis równowagi w tej koncepcji odnosi się przede wszystkim do równowagi między reaktorami i produktami w reakcji chemicznej. Inne rodzaje równowagi obejmują równowagę fazową i równowagę roztworów. Równowaga fazowa występuje wtedy, gdy substancja znajduje się w równowadze pomiędzy dwoma stanami. Na przykład, zamknięta kolba z wodą osiąga równowagę, gdy szybkość parowania jest równa szybkości skraplania. Równowaga roztworu występuje, gdy substancja stała znajduje się w roztworze nasyconym. W tym momencie szybkość rozpuszczania jest równa szybkości rekrystalizacji. Chociaż są to różne rodzaje przemian, większość zasad dotyczących równowagi stosuje się do każdej sytuacji, w której proces zachodzi w sposób odwracalny.
Czerwone krwinki transportują tlen do tkanek, dzięki czemu mogą one funkcjonować. W przypadku braku tlenu, komórki nie mogą wykonywać swoich obowiązków biochemicznych. Tlen przemieszcza się do komórek przyłączonych do hemoglobiny, białka znajdującego się w czerwonych krwinkach. W przypadku zatrucia tlenkiem węgla, tlenek węgla znacznie silniej wiąże się z hemoglobiną, blokując przyłączanie tlenu i zmniejszając ilość tlenu docierającego do komórek. Leczenie polega na wdychaniu przez pacjenta czystego tlenu w celu wyparcia tlenku węgla. Reakcja równowagi przedstawiona poniżej ilustruje przesunięcie w prawo, gdy do układu zostanie dodany nadmiar tlenu:
Stała równowagi
Rozważmy hipotetyczną reakcję odwracalną, w której reagenty \(\A}i \(\B}) reagują, tworząc produkty \(\C}i \(\D}). Równowagę tę można przedstawić poniżej, gdzie małe litery oznaczają współczynniki każdej z substancji.
Jak ustaliliśmy, w stanie równowagi szybkość reakcji w przód i w tył jest taka sama, a zatem stężenia wszystkich substancji są stałe. Ponieważ tak jest, zrozumiałe jest, że stosunek stężeń dla dowolnej reakcji w stanie równowagi utrzymuje stałą wartość. Stała równowagi \(\left( K_text{eq} \right)\) jest stosunkiem iloczynu matematycznego produktów reakcji do iloczynu matematycznego stężeń reagentów tej reakcji. Każde stężenie jest podniesione do potęgi swojego współczynnika w zrównoważonym równaniu chemicznym. Dla powyższej reakcji ogólnej wyrażenie stałej równowagi zapisuje się w następujący sposób:
Stężenia każdej substancji, zaznaczone nawiasami kwadratowymi wokół wzoru, mierzone są w jednostkach molarności \(\tekst{mol/L} \prawda)\).
Wartość stałej równowagi dla dowolnej reakcji jest określana wyłącznie na drodze eksperymentu. Jak wyszczególniono w powyższym rozdziale, położenie równowagi dla danej reakcji nie zależy od stężeń początkowych, a zatem wartość stałej równowagi jest rzeczywiście stała. Zależy ona jednak od temperatury reakcji. Dzieje się tak dlatego, że równowaga jest definiowana jako stan wynikający z tego, że szybkości reakcji w przód i w tył są równe. Jeśli zmieni się temperatura, odpowiednia zmiana szybkości tych reakcji spowoduje zmianę stałej równowagi. Dla każdej reakcji, w której podana jest stała równowagi, należy określić temperaturę.
Gdy stała równowagi jest większa od 1, licznik jest większy od mianownika, więc produkty są uprzywilejowane, co oznacza, że stężenie produktów jest większe niż stężenie reagentów.
Jeśli K jest mniejsze od 1, to reaktanci są uprzywilejowani, ponieważ mianownik (reaktory) jest większy od licznika (produkty).
Gdy K jest równe 1, to stężenia reaktantów i produktów są w przybliżeniu równe.
Reaction Quotient
Reaction quotient, \(Q\), jest używany, gdy zastanawiamy się, czy jesteśmy w równowadze. Obliczenia dla \(Q) są dokładnie takie same jak dla \(K), ale możemy użyć \(K) tylko wtedy, gdy wiemy, że jesteśmy w równowadze. Porównanie \(Q) i \(K) pozwala przewidzieć kierunek reakcji.
- \(Q\) = \(K\) równowaga
- \(Q\) < \(K\) reakcja postępuje w prawo, tworząc więcej produktów i zmniejszając ilość reagentów, więc wartość \(Q\) wzrośnie
- \(Q\) > \Reakcja przebiega w lewo, tworząc więcej reaktantów i zmniejszając ilość produktów, więc wartość Q będzie maleć
Współtwórcy i przypisy
-
CK-12 Fundacja Sharon Bewick, Richard Parsons, Therese Forsythe, Shonna Robinson i Jean Dupon.
-
Allison Soult, Ph.D. (Department of Chemistry, University of Kentucky)
.