Χημική Ισορροπία που ονομάζεται Δυναμική Ισορροπία

Η ισορροπία είναι μια κατάσταση ηρεμίας που οφείλεται στην ίση δράση των αντίπαλων δυνάμεων. Είναι δυναμική, δηλαδή, τόσο οι μπροστινές όσο και οι αντίστροφες αντιδράσεις συνεχίζουν να λαμβάνουν χώρα ακόμη και όταν η αντίδραση έχει σταματήσει. Κάθε φορά που λαμβάνει χώρα μια χημική αντίδραση, η αντίδραση μπορεί να πάει και προς τις δύο κατευθύνσεις, δηλαδή, είτε προς την κατεύθυνση προς τα εμπρός είτε προς τα πίσω, ή μπορεί να προχωρήσει μόνο με μία σειρά. Οι αντιδράσεις που κινούνται προς δύο κατευθύνσεις ονομάζονται αναστρέψιμες αντιδράσεις. Για παράδειγμα, εξετάστε την παρακάτω χημική αντίδραση:

H2O(l) ⇌ H+(aq) + OH–(aq)

Η δυναμική ισορροπία είναι μια κατάσταση χημικής αντίδρασης όπου δεν υπάρχει καθαρή αλλαγή στον αριθμό των προϊόντων και των αντιδράσεων. Ωστόσο, η αντίδραση συνεχίζεται συνεχώς.

Επισκόπηση της δυναμικής ισορροπίας 

Η δυναμική ισορροπία μπορεί να οριστεί ως μια κατάσταση συστήματος όπου οι αναστρέψιμες αντιδράσεις που συμβαίνουν σε αυτό σταματούν να αλλάζουν την αναλογία αντιδρώντων και προϊόντων. Η αντίδραση συνεχίζει να συμβαίνει, δηλαδή, υπάρχει μια μετακίνηση ουσιών από τα αντιδρώντα σε προϊόντα με ίσο ρυθμό και δεν υπάρχει καθαρή αλλαγή στην αναλογία αντιδρώντων και προϊόντων. Υπάρχει μόνο σε αναστρέψιμες αντιδράσεις. Η παραπάνω εξίσωση είναι δυναμική γιατί ο ρυθμός των αντιδρώντων και των προϊόντων είναι ίσος και σταθερός. Ωστόσο, η αντίδραση συμβαίνει συνεχώς.

Γιατί η Χημική Ισορροπία ονομάζεται Δυναμική Ισορροπία;

Τώρα, ας υποθέσουμε ότι θεωρούμε μια αντίδραση, ας πούμε:A + B ⇌ C + D. Σε αυτήν την αντίδραση, όπως μπορείτε να δείτε, αν ενώσουμε και τις δύο ουσίες, Α και Β, σε ένα κλειστό δοχείο , τότε συμβαίνει η μπροστινή αντίδραση και παράγει C και D. Σε αυτή τη διαδικασία, η συγκέντρωση των Α και Β μειώνεται συνεχώς, ενώ η συγκέντρωση των C και D αυξάνεται ταυτόχρονα. Ως εκ τούτου, ο ρυθμός προς τα εμπρός αντίδρασης μειώνεται όταν ο ρυθμός της αντίστροφης αντίδρασης αυξάνεται και, στη συνέχεια, έρχεται ένα σημείο όπου και οι δύο αντιδραστήρες εξισορροπούνται, επιτυγχάνοντας την κατάσταση ισορροπίας.

Όταν τα A + B ⇌ C + D επιτυγχάνουν ισορροπία, η συγκέντρωση και των τεσσάρων συστατικών παραμένει σταθερή κατά τη διάρκεια της περιόδου. Αν και μπορεί να φαίνεται ότι η ισορροπία έχει χαθεί σε εκείνο το σημείο, στην πραγματικότητα, έχει φτάσει στην κατάσταση της δυναμικής ισορροπίας. Επομένως, η αντίστροφη και η μπροστινή διαδικασία φτάνουν σε ισορροπία, ωστόσο η συγκέντρωση παραμένει ανεπηρέαστη.

Αν δούμε το παραπάνω κινητικό μοριακό μοντέλο, μπορούμε εύκολα να καταλάβουμε ότι όταν το Α και το Β συγκρούονται μεταξύ τους, τότε σχηματίζονται οι Γ και Δ. Από την άλλη πλευρά, η ίδια διαδικασία συνεχίζεται καθώς οι C και D επιστρέφουν στην κατάσταση των Α και Β. Αν και στη διαδικασία, η ισορροπία παραμένει η ίδια.

Νόμος της Χημικής Ισορροπίας

Σκεφτείτε μια αναστρέψιμη ομοιογενή αντίδραση σε ισορροπία σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, όπως:

A+B ⇌ C+D

Ας υποθέσουμε ότι οι ενεργές μάζες των A, B, C και D είναι [A], [B], [C] και [D], αντίστοιχα.

Όπως γνωρίζουμε, σύμφωνα με το νόμο της δράσης μάζας, ο ρυθμός της μπροστινής αντίδρασης θα είναι ∝ [A] [B]. Έτσι, ο ρυθμός της μπροστινής αντίδρασης =kf [A] [B] όπου kf είναι η ταχύτητα της μπροστινής αντίδρασης.

Ομοίως, ο ρυθμός της αντίστροφης αντίδρασης θα είναι ∝ [C] [D]. Έτσι, ο ρυθμός της αντίστροφης αντίδρασης =kb [C] [D] όπου kb είναι η ταχύτητα για την αντίστροφη αντίδραση.

Τώρα, σε σταθερά ισορροπίας, K=Ρυθμός της προς τα εμπρός αντίδρασης =Ρυθμός της προς τα πίσω αντίδρασης, δηλ. kf [A] [B]=kb [C] [D]

Kf / kb=[C] [D] / [A] [B]

Ας υποθέσουμε το kf  / kb ως μια νέα σταθερά, δηλ. K.

Kf / kb=K =[C] [D] / [A] [B]

Αυτό το K είναι η σταθερά ισορροπίας.

Σταθερά ισορροπίας για μοριακή συγκέντρωση Kc

Σκεφτείτε μια αντίδραση             aA+bB ⇌ cC+dD

Όπου τα a, b , c και d είναι moles των A, B, C και D αντίστοιχα.

Kc =[ C ]c·[ D ]d / [ A ]a·[ B ]b

Σταθερά ισορροπίας για αέρια Kp 

Kp=(PCcPDd)/(PAaPBb)

Σχέση μεταξύ Kc και Kp

Εξαγωγή της εξίσωσης ιδανικού αερίου, 

PV =nRT

Και, P =(n/V)RT 

P =CRT, όπου C είναι ο αριθμός γραμμομορίων ανά λίτρο (μοριακή συγκέντρωση).

Με την εισαγωγή PA=CART, PB=CBRT, PC=CCRT και PD=CDRT στην εξίσωση σταθεράς ισορροπίας για το αέριο Kp, παίρνουμε,

Kp =Kc (RT)Δn   

WhereΔn=(c+d)-(a+b),η διαφορά στα αθροίσματα των συντελεστές για τα αέρια προϊόντα και τα αντιδρώντα.

Gibbs ελεύθερη ενέργεια και χημική ισορροπία 

ΔG =ΔH -TΔS,

Έτσι, η ελεύθερη ενέργεια Gibbs είναι η ενθαλπία μείον το γινόμενο της απόλυτης θερμοκρασίας με την εντροπία της. Η σχέση της ελεύθερης ενέργειας Gibbs με τη σταθερά ισορροπίας είναι η εξής:

G° =-RT ln Keq

Πού, T=θερμοκρασία

R=καθολική σταθερά αερίου και 

Keq=σταθερά ισορροπίας.

Τύποι χημικής ισορροπίας

Ο νόμος της χημικής ισορροπίας είναι δύο τύπων:ομογενής ισορροπία και ετερογενής ισορροπία.

Ομογενής Ισορροπία

Σε αυτόν τον τύπο ισορροπίας, όλα τα συστατικά που αντιδρούν δηλώνονται σε μια φάση της ύλης, όπως στερεό, αέριο ή υγρό. Αυτοί οι τύποι αντιδράσεων ταξινομούνται με τρεις διαφορετικούς τρόπους:

1. Η αντίδραση όταν κανένας αριθμός mole αλλάζει το δίχτυ του συστήματος (Δn =0).

2. Ο αριθμός mole θα αυξηθεί λόγω του χρόνου αντίδρασης (Δn =+ve).

3. Οι αριθμοί μορίων θα μειωθούν λόγω του χρόνου αντίδρασης. (Δn =-ve).

Παράδειγμα

H2 (g) + I2 (g) ⇌ 2HI (g)  , (Δn =0)

PCl5  ⇌ PCl3 + Cl2  , (Δn =+ve)

N2 + 3H2 ⇌ 2NH3  , (Δn =-ve)

Ετερογενής Ισορροπία

Σε αυτόν τον τύπο ισορροπίας, τα συστατικά που αντιδρούν δεν παραμένουν στην ίδια φάση ύλης. Για παράδειγμα, τα ανθρακικά άλατα του ασβεστίου αποσυντίθενται σε οξείδιο και διοξείδιο του ασβεστίου.

 CaCO3 (s) ⇌ CaO (s) + CO2

Η εξίσωση περιλαμβάνει τις τρεις διαφορετικές φάσεις της χημικής ισορροπίας.

Συμπέρασμα

Η κατάσταση ισορροπίας είναι αυτή στην οποία δεν υπάρχει καθαρή αλλαγή στις κεντροποιήσεις των αντιδρώντων και των στοιχείων. Ανεξάρτητα από τον τρόπο που δεν υπάρχει εμφανής αλλαγή στην αρμονία, αυτό δεν σημαίνει ότι όλες οι σύνθετες αποκρίσεις έχουν σταματήσει. Ο νόμος της χημικής ισορροπίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να περιγράψει πώς συμπεριφέρονται τα διαλύματα σε μια δυναμική ισορροπία.