Σταθερά ισορροπίας
Εισαγωγή
Η ισορροπία είναι η κατάσταση μιας διαδικασίας κατά την οποία οι παράμετροι του συστήματος, όπως η θερμοκρασία, η πίεση και η συγκέντρωση, παραμένουν σταθερές σε βάθος χρόνου.
Εάν μια αντίδραση βρίσκεται σε χημική ισορροπία, ο ρυθμός των αντιδράσεων προς τα εμπρός και προς τα πίσω θα είναι ο ίδιος.
Ωστόσο, παράγοντες αντίδρασης όπως η θερμοκρασία, ο διαλύτης και η ιοντική ισχύς μπορούν να επηρεάσουν την τιμή της σταθεράς ισορροπίας.
Ένα μείγμα αντιδραστηρίων και προϊόντος σε ισορροπία αναφέρεται ως μείγμα ισορροπίας.
Οι χημικές αντιδράσεις και οι φυσικές διεργασίες μπορούν και οι δύο να φτάσουν σε ισορροπία.
Τύποι ισορροπίας
Φυσική Ισορροπία
Όταν οι αντίθετες διαδικασίες σε ισορροπία περιλαμβάνουν απλώς φυσικές αλλαγές, η ισορροπία αναφέρεται ως φυσική ισορροπία.
Για παράδειγμα, με την εξάτμιση του νερού, υπάρχει μια ισορροπία μεταξύ νερού και ατμού.
Χαρακτηριστικά φυσικής ισορροπίας εξατμισμένου νερού –
- Είναι κατανοητό μόνο σε ένα κλειστό σύστημα κάτω από συγκεκριμένες παραμέτρους όπως θερμοκρασία, πίεση και ούτω καθεξής.
- Ο ρυθμός των αντιδράσεων προς τα εμπρός και προς τα πίσω είναι ο ίδιος.
- Όλα τα μετρούμενα χαρακτηριστικά του συστήματος παραμένουν σταθερά.
- Όταν μια φυσική διεργασία φτάσει σε ισορροπία, μία από τις παραμέτρους της διατηρεί μια σταθερή τιμή σε μια δεδομένη θερμοκρασία.
- Ανά πάσα στιγμή, το μέγεθος τέτοιων τιμών δείχνει πόσο έχει προχωρήσει η φυσική διαδικασία προτού επιτευχθεί ισορροπία.
Χημική ισορροπία
Όταν αντίθετες διεργασίες σε ισορροπία συνεπάγονται χημικές αλλαγές, η ισορροπία αναφέρεται ως χημική ισορροπία.
Ισορροπία μεταξύ οξικού οξέος, νερού, οξικού και ιόντων υδρονίου, για παράδειγμα. Η εξίσωση είναι η εξής:CH3CO2H + H2O⇔ CH3CO2 + H3O+ CH3CO2 + H3O+
Χαρακτηριστικά χημικής ισορροπίας –
- Μπορεί να γίνει από οποιαδήποτε γωνία ή κατεύθυνση. Είναι ένας ζωντανός οργανισμός. Σε κατάσταση ισορροπίας, οι συγκεντρώσεις των αντιδρώντων και των προϊόντων παραμένουν σταθερές.
- Η παρουσία ενός καταλύτη μπορεί να επιτύχει αυτήν τη μορφή ισορροπίας.
- Η ιοντική ισορροπία είναι μια χημική ισορροπία που περιλαμβάνει την ισορροπία ιόντων σε ένα υδατικό διάλυμα.
Οι φυσικές διεργασίες και οι χημικές αντιδράσεις μπορούν να επιτύχουν ισορροπία. Η δυναμική ισορροπία εμφανίζεται όταν δεν υπάρχει αλλαγή στις συγκεντρώσεις των αντιδρώντων και των προϊόντων και ο ρυθμός της προς τα εμπρός αντίδρασης ισούται με τον ρυθμό της προς τα πίσω αντίδρασης.
Ομοιογενείς ισορροπίες - Τα αντιδρώντα και τα προϊόντα υπάρχουν στην ίδια φάση σε αυτές τις μορφές ισορροπίας.
Ετερογενείς ισορροπίες - Τα αντιδρώντα και τα προϊόντα βρίσκονται σε διάφορες φάσεις σε αυτούς τους τύπους ισορροπίας.
Αναστρέψιμη αντίδραση – Μια αναστρέψιμη αντίδραση είναι μια χημική διεργασία που μπορεί να συμβεί τόσο προς τα εμπρός όσο και προς την αντίστροφη κατεύθυνση υπό τις ίδιες συνθήκες.
Μη αναστρέψιμη αντίδραση - Μια μη αναστρέψιμη αντίδραση είναι μια χημική διαδικασία που προχωρά μόνο με έναν τρόπο.
Συνολικός ρυθμός απόκρισης – Ο συνολικός ρυθμός αντίδρασης προκύπτει αφαιρώντας τον ρυθμό αντίδρασης προς τα πίσω από τον ρυθμό αντίδρασης προς τα εμπρός.
Συνολικός ρυθμός αντίδρασης =ρυθμός προς τα εμπρός αντίδραση μείον τον ρυθμό αντίδρασης προς τα πίσω Είναι σημαντικό να θυμάστε ότι σε κατάσταση ισορροπίας, ο συνολικός ρυθμός μιας αναστρέψιμης αντίδρασης γίνεται μηδέν.
Νόμος της μαζικής δράσης
Το 1864, οι Νορβηγοί επιστήμονες Peter Wage και Cato gulberg πρότειναν τον νόμο της δράσης του πλήθους.
Σε μια δεδομένη θερμοκρασία, ο νόμος εξηγεί τη σχέση μεταξύ της ταχύτητας μιας χημικής αντίδρασης και των μοριακών συγκεντρώσεων των αντιδρώντων.
Ο ρυθμός μιας χημικής αντίδρασης σε μια δεδομένη θερμοκρασία είναι ευθέως ανάλογος με το προϊόν των ενεργών μαζών των αντιδρώντων, σύμφωνα με τον κανόνα της δράσης μάζας.
Ο όρος «ενεργή μάζα» αναφέρεται στη μοριακή συγκέντρωση ενός αντιδραστηρίου ανά μονάδα όγκου. Μετριέται σε mol dm-3. Υποθέστε aA + bB =cC + dD για μια γενική αντίδραση. ——————— (1)
όπου Kb =σταθερά ταχύτητας για την αντίστροφη αντίδραση σε μια δεδομένη θερμοκρασία
Σε κατάσταση ισορροπίας, ο ρυθμός της προς τα εμπρός αντίδρασης είναι ίσος με τον ρυθμό της προς τα πίσω αντίδρασης. Έτσι, μπορούμε να γράψουμε –
Για χημικές αντιδράσεις σε ισορροπία σε μια δεδομένη θερμοκρασία, το Kc αναφέρεται ως σταθερά ισορροπίας ή σταθερά ταχύτητας.
Το γινόμενο των συγκεντρώσεων του προϊόντος αντίδρασης αυξημένο στους χωριστούς στοιχειομετρικούς συντελεστές τους στην ισορροπημένη χημική εξίσωση διαιρεμένο με το γινόμενο των συγκεντρώσεων των αντιδρώντων που αυξήθηκαν στους μεμονωμένους στοιχειομετρικούς συντελεστές τους έχει μια σταθερή τιμή σε μια δεδομένη θερμοκρασία.
Αυτό αναφέρεται ως νόμος ισορροπίας ή νόμος χημικής ισορροπίας.
Σταθερά Ισορροπίας
Μερικά βασικά σημεία σχετικά με τη σταθερά ισορροπίας αναφέρονται παρακάτω:
- Η τιμή της σταθεράς ισορροπίας για μια δεδομένη αντίδραση είναι πάντα σταθερή και είναι ανεξάρτητη από τις συγκεντρώσεις των αντιδρώντων με τις οποίες ξεκινάμε ή την κατεύθυνση από την οποία προσεγγίζεται η ισορροπία.
- Η τιμή της σταθεράς ισορροπίας είναι αντίστροφη όταν η αντίδραση αντιστρέφεται.
- Όταν μια εξίσωση με τη σταθερά ισορροπίας K διαιρείται με το 2, η σταθερά ισορροπίας της εξίσωσης που προκύπτει είναι η τετραγωνική ρίζα του K (δηλαδή √ K). Όταν μια εξίσωση με τη σταθερά ισορροπίας K πολλαπλασιάζεται επί 2, η σταθερά ισορροπίας της νέας εξίσωσης είναι το τετράγωνο του K. (δηλαδή K²)
- Αν μια εξίσωση με σταθερά ισορροπίας K δηλώνεται σε δύο βήματα (με σταθερά ισορροπίας K1 και σταθερά ισορροπίας K2), τότε K1 × K2 =k
- Η προσθήκη ενός καταλύτη στη διαδικασία δεν έχει καμία επίδραση στην τιμή της σταθεράς ισορροπίας. Επειδή ο καταλύτης αυξάνει την ταχύτητα και των αντιδράσεων προς τα εμπρός και προς τα πίσω στον ίδιο βαθμό, αυτό συμβαίνει.
Σταθερές ισορροπίας στην πράξη Τα βασικά χαρακτηριστικά και εφαρμογές της σταθεράς ισορροπίας περιγράφονται παρακάτω:
- Μόνο όταν οι συγκεντρώσεις των αντιδρώντων και των προϊόντων έχουν φτάσει σε μια σταθερή τιμή σε κατάσταση ισορροπίας μπορεί να υπολογιστεί η σταθερά ισορροπίας.
- Η τιμή του είναι ανεξάρτητη από τις συγκεντρώσεις του αντιδρώντος και του προϊόντος στην αρχή.
- Η θερμοκρασία είναι ένας παράγοντας. Σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, εμφανίζει μια μοναδική τιμή για μια ισορροπημένη εξίσωση.
- Είναι ίσο με το αντίστροφο της σταθεράς ισορροπίας της μπροστινής αντίδρασης για την αντίστροφη αντίδραση. Το K είναι η σταθερά ισορροπίας για ένα σύστημα.
Πρόβλεψη ισορροπίας του μεγέθους μιας σταθεράς αντίδρασης
Εάν η τιμή του Kc είναι μεγάλη (Kc> 103) σε κατάσταση ισορροπίας, η αντίδραση θα προχωρήσει κοντά στην ολοκλήρωση ή θα ευνοήσει την προς τα εμπρός αντίδραση.
Εάν η τιμή του Kc είναι χαμηλή στην ισορροπία –(Kc> 10-3) Σπάνια θα ολοκληρωθεί μια αντίδραση και εάν είναι, θα ευνοήσει την αντίστροφη απόκριση.
Εάν η τιμή του Kc είναι μέτρια (μεταξύ 103 και 10-3), η αντίδραση θα προχωρήσει σε ισορροπία.
Προϊόν διαλυτότητας (ksp)
Όταν ένα άλας διαλύεται στο νερό, τότε αρχίζει να διασπάται σε ιόντα και μετά από λίγο η διαδικασία διαλυτότητας φθάνει σε ισορροπία.
AgCl(s) ↔️ Ag+ (aq) + Cl– (aq) Ksp =[Ag+] [Cl–] =Q =I.P. Όπου Ksp =προϊόν διαλυτότητας Q =πηλίκο αντίδρασης (Ορίζεται ως Kc αλλά οι συγκεντρώσεις σε Qc δεν είναι απαραίτητα τιμές ισορροπίας)
I.P. =Ιονικό προϊόνΕάν I.P.
Πρόβλεψη της κατεύθυνσης μιας αντίδρασης
- Εάν Qc
- Εάν Qc > Kc , η καθαρή αντίδραση πηγαίνει από τα δεξιά προς τα αριστερά. Σημαίνει ότι η αντίδραση θα προχωρήσει προς την κατεύθυνση των προϊόντων.
- Εάν Q =K , δεν συμβαίνει καθαρή αντίδραση. Σημαίνει ότι το μείγμα της αντίδρασης βρίσκεται ήδη σε ισορροπία.
Σχέση σταθεράς ισορροπίας και ελεύθερης ενέργειας Gibbs (Keq και G)
Εάν το G είναι αρνητικό και το K είναι 1, η αντίδραση είναι αυθόρμητη και προχωρά.
Εάν το G είναι θετικό και το Κ είναι μεγαλύτερο από ένα, η αντίδραση είναι μη αυθόρμητη και προχωρά σε εφεδρική ή αντίστροφη κατεύθυνση.
Όταν το G ισούται με 0, η αντίδραση βρίσκεται σε ισορροπία.
Η Αρχή του Le Chatelier
Σύμφωνα με την αρχή του Le Chatelier, μια αλλαγή σε οποιοδήποτε από τα στοιχεία που καθορίζουν τις συνθήκες ισορροπίας ενός συστήματος θα οδηγήσει το σύστημα να αλλάξει με τέτοιο τρόπο ώστε να αντισταθμίζεται το αποτέλεσμα της αλλαγής.
Με άλλα λόγια, εάν μια διαταραχή τεθεί σε ένα μείγμα ισορροπίας, θα ανταποκριθεί με τέτοιο τρόπο ώστε να αναιρεί τη διαταραχή, σύμφωνα με την αρχή του Le Chatelier.
Επίδραση της αλλαγής θερμοκρασίας – Οι χαμηλές θερμοκρασίες ευνοούν τις εξώθερμες αντιδράσεις, ενώ οι υψηλές θερμοκρασίες ευνοούν τις ενδόθερμες αντιδράσεις.
Επίδραση της αλλαγής πίεσης – Εάν τα mole των αντιδρώντων και των προϊόντων είναι τα ίδια, η αλλαγή πίεσης δεν θα έχει κανένα αποτέλεσμα.
Όταν η πίεση αυξηθεί, η αντίδραση θα μετακινηθεί προς την πλευρά με λιγότερα κρεατοελιές και αντίστροφα. Αυτό ολοκληρώνει τη συζήτησή μας για το "Equilibrium."
Συμπέρασμα
Η σταθερά ισορροπίας είναι ανεξάρτητη από τις αρχικές αναλυτικές συγκεντρώσεις του αντιδρώντος και του είδους του προϊόντος στο μείγμα για ένα δεδομένο σύνολο συνθηκών αντίδρασης.
Ως αποτέλεσμα, οι σταθερές τιμές ισορροπίας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό της σύνθεσης ενός συστήματος σε ισορροπία, δεδομένης της αρχικής του σύνθεσης.
Οι φυσικές διεργασίες και οι χημικές αντιδράσεις μπορούν να επιτύχουν ισορροπία.
Η δυναμική ισορροπία εμφανίζεται όταν δεν υπάρχει αλλαγή στις συγκεντρώσεις των αντιδρώντων και των προϊόντων και ο ρυθμός της προς τα εμπρός αντίδρασης ισούται με τον ρυθμό της προς τα πίσω αντίδρασης.
