Egyensúlyi reakciók

Az összes eddig vizsgált reakció ilyen formában írható: kis 'a' mól nagy 'A' molekula, meg kis b mól nagy B molekula. Termék, vagy termékek képződése közben reagálnak egymással. Tételezzük fel, hogy két termék keletkezik. Annyi molekula lehetne ott, amennyit csak akarok. Legyen c mól C molekula, meg d mól nagy D molekula. Azt feltételezzük, hogy egy irányba megy. Ha csinálunk egy kis energiadiagrammot – utalva arra a kinematikai videóra, amit az előbb csináltunk –, ha ez a reakció, vagy az, hogy hogyan játszódik le a reakció, képzeld azt, hogy itt nagyobb energiaállapotban vagy. Van kis 'a' mól nagy 'A' molekula, meg kis b mól nagy B molekula és van valamennyi aktiválási energia. Utána stabilabb állapotba, vagy alacsonyabb energiaszintre kerülsz itt, ahol kis c mól C molekula, meg kis d mól D molekula van, és természetesen valamennyi aktiválási energia. Ez csak ebbe az irányba játszódik le. Ha egyszer ide jutottál, nagyon nehéz visszafordulni. ha visszajössz, és megnézed ezt, ha van elég 'A' és B, csak C és D molekula marad. Csak ebbe az irányba játszódik le. De valójában nem ez történik. Valójában - van, amikor így történik, a reakció valóban csak egy irányba mehet. Azonban sok esetben a reakció lejátszódhat mindkét irányba. Tehát ehelyett az egyirányú reakció helyett írhatunk megfordítható reakciót, úgy mint itt. Hogy nagyon ne zavarjalak össze, ezek az anyagmennyiségek, vagy a molekulák mólaránya, összeadom őket, majd mindjárt lesz ennek értelme. Tehát legyen kis 'a' mól ebből a molekulából, meg kis b mól ebből a molekulából, és egymással reagálva keletkezik kis c mól ebből a molekulából meg kis d mól abból a molekulából. Néha a reakció mindkét irányba lejátszódhat. Ilyenkor hogy látsszon, hogy egyensúlyi reakció, ilyen nyilat teszünk, ami mindkét irányba mutat. Ez azt jelenti, hogy ennek egy részéből ez fog keletkezni, De ezzel egy időben ennek egy részéből ez is keletkezhet. És egyszer elérem az egyensúlyt. Amikor a reakcióba lépő molekulák aránya ebben az irányban megegyezik azon molekulák számával, amelyek a másik irányba alakul, akkor egyfajta egyensúlyt érünk el. Egyensúly. Miért ez történik és nem ez? Egy helyzet jut eszembe. Ha megint lerajzoljuk az energiadiagrammot. Ezeknek lehet, hogy hasonló, vagy nem nagyon különböző energiaállapotuk van. Más oka is lehet, de ez jut eszembe. Lehet, hogy valahogy így néz ki az energiaállapotuk. Ezen az oldalon van A + B, és szükség van valamennyi aktiválási energiára. Azután C + D, talán egy kicsivel alacsonyabb szinten, de nem sokkal alacsonyabb. Talán kedvezőbb ez az irány, mert ez stabilabb állapot. Tehát itt A + B, itt viszont C + D van. De nem lehetetlen az sem, hogy ebbe az irányba menjen. Tehát nagyobb része abba az irányba tart, de valamennyi mehet ebbe az irányba is. Ha ezek közül a molekulák közül néhánynak van elegendő kinetikus energiája, elérhetik ezt az aktiválási energiát és ebbe az irányba visszaalakulhatnak. Ezt nevezzük egyensúlynak, ahol a különböző molekulák koncentrációjára vagyunk kíváncsiak. És csak hogy összehasonlítsuk ezt a kinetikával, a kinetika azt vizsgálta, milyen gyorsan játszódik is ez le. Vagy hogyan tudom megváltoztatni az aktiválási energiát, ezt a huplit itt? Az egyensúlyban azt vizsgáljuk, mennyi lesz a koncentrációja a különböző molekuláknak végül, ha a reakciósebesség ebben az irányban megegyezik a másik irány reakciósebességével. Szeretném, ha megértenéd, hogy az egyensúlyban az előre irányuló reakció sebessége megegyezik az ellenkező irányú reakció sebességével. Ez nem jelenti azt, hogy a két anyag koncentrációja megegyezik. Lehet, hogy végül az oldatban 25% A és B koncentrációja, itt pedig 75%. Azt tudjuk, hogy egy pontban, ha elértük az egyensúlyt, az csak azt jelenti, hogy a koncentrációk nem változnak tovább. Például, hogy megmutassam miről beszélek, felírhatom – nézzük most a Haber-Bosch-folyamatot. Felírhatom, hogy nitrogéngáz, meg 3 hidrogéngáz. Ezek mind gázállapotúak, így kis g-t írhatok a zárójelbe, Ez egy egyensúlyi reakció, amiben 2 mól ammónia keletkezik. Haber-Bosch-folyamatnak nevezzük. Egy másik videóban beszélhetnénk erről. Ebben az esetben azt mondjuk, hogy az 'a' csak 1, ez kisbetűs 'a'. A nagy 'A' a nitrogénmolekula. A kis b 3. A nagy B a hidrogénmolekula. Kis c az ammónia anyagmennyisége és nagy C maga az ammóniamolekula. Csak szeretném megmutatni, hogy ez általános módja az egyensúly felírásának. Az az érdekes az egyensúlyi reakciókban, hogy definiálhatsz egy állandót, az egyensúlyi állandót. Ezt nevezzük egyensúlyi állandónak. Lecserélem a színeket. Túl sokat használom ezt a világoskéket. Az egyensúlyi állandót úgy definiáljuk, hogy vesszük a termékekeket, vagy a jobb oldalt – de ha ez mindkét irányba lejátszódhat, akkor nyilván mindkét irány lehet. Legyen ez az előreirányuló reakció az, amikor 'A'-ból és B-ből C és D lesz. Szóval vesszük a termékeket, a koncentrációjukat, és összeszorzod őket egymással, és a szükséges mólarányuk hatványára emeled azokat. Ebben az esetben ez nagy C koncentrációja kis c-re emelve és nagy D koncentrációja kis d-re emelve. Amikor koncentrációt mondok, az általában, különösen ha általános kémia órán látod, akkor a koncentrációt molaritásban mérjük, ami csak emlékeztetőül, mól/liter. Néhány videóval korábban, amikor a molaritást tanítottam, azt mondtam, tudod, a mól/litert nem nagyon szeretem, mert a folyadékok vagy gázok térfogata függ a hőmérséklettől. Ezért nem szeretem a molaritást használni. De ebben az esetben ez rendben van. Mivel az egyensúlyi állandó szintén csak egy adott hőmérsékletre érvényes. Adott hőmérsékletre adjuk meg, és rögtön megmutatom hogyan használjuk. De ezt úgy definiáljuk, hogy a termékek koncentrációja a hatványon. És ha lesz időm, esetleg megcsinálom ezt a következő videóban. Hogy miért emeljük a hatványkitevőre, osztjuk el a reaktánsok koncentrációjával, vagy azokkal, amik az egyensúlyi reakciók bal oldalán vannak. Tehát nagy 'A' a kis 'a'-ra emelve, osztva nagy B kis b-re emelve. Érdekes ebben, hogy ez egyfajta egyszerűsítés, mert nem csináljuk minden reakciónál. De a legtöbb dolognál, amivel találkozol egy általános kémia órán igaz, hogy ha megvan ez az egyensúlyi állandó egy adott hőmérsékleten – ez csak egy bizonyos hőmérsékleten igaz, – akkor megváltoztathatod a koncentrációkat és meg tudod jósolni utána mennyi lesz a koncentráció. Nézzünk egy példát! Mondjuk miután beállt az egyensúly és kicsit megváltoztatjuk, vegyük ezt a Haber-Bosch-reakciót és írjuk fel ugyanebben a formában. Ha fel szeretnénk írni az egyensúlyi állandót a Haber-Bosch reakcióra, vagy ki szeretnénk számolni, kelleni fog a reakcióhoz valamilyen hőmérséklet. Ez tehát csak akkor igaz, ha – mondjuk azt, hogy 25 fokon csináljuk, ami közelítőleg szobahőmérséklet. Tehát azt csinálom, hogy veszem a temékeket. Az egyetlen termék az ammónia, NH3. Ezt az anyagmennyisége hatványára emelem, ami 1 mól nitrogéngáz és 3 mól hidrogénből keletkezik. Tehát a 2. hatványra emelem. Tehát ezt kapom. És elosztom a reaktánsokkal. 1 mól nitrogén, tehát veszem a nitrogén koncentrációját, meg 3 mól hidrogén, óh, nem, nem. Nem összeadást kell ide írnom. Ez szorzás. Szorozva a hidrogénnel, és a 3. hatványra emelem, mivel 1 mól nitrogén és 3 mól hidrogén, és utána 2 mól ammónia van. És ha ezt kiszámolnánk, ne feledd, ha ilyen zárójelbe teszem, kiszámolom a koncentrációját, úgyhogy ki kellene számolnom hány mól/liter. Vagy néha úgy mondják, hogy ezeknek a molaritása és ugyanazt az állandót fogom kapni. Ha behelyettesítem, ki tudom számolni a többit. Akkor nézzünk most erre egy példát. Legyen 1 mól 'A' meg 2 mól B molekula egyensúlyban 3 mól C molekulával. Mondjuk, hogy ha elérjük az egyensúlyt, akkor megmérjük a koncentrációkat, és azt kapjuk, hogy az 'A' koncentrációja 1 M, ami azt jelenti, hogy 1 mól/liter. Ez az 'A' koncentrációja. Kiszámoljuk, hogy ha elérjük az egyensúlyt, B koncentrációja 3 M, ami 3 mól/litert jelent. És ha elértük az egyensúlyi állapotot, a C koncentrációja egyenlő – 0, – nem akarok ilyet, legyen ez is 1 M. Ki kell innen törölnöm a pontot, mert nem szeretném azt mondani, hogy 0,1 M, ez csak 1 M. Ha ki szeretnénk számolni az egyensúlyi állandót erre a reakcióra, vesszük csak C-t, a C koncentrációja osztva itt, nézzük csak. Az egyensúlyi állandó egyenlő C koncentrációja a 3. hatványon osztva 'A' koncentrációjával az 1. hatványon – mivel csak 1 mól 'A' van 3 mól C és 2 mól B mellett – szorozva B koncentrációjával – Azzal a színnel írom – B a 3.-on. Ha ki kell számolnunk, C koncentrációja 1 M, a 3. hatványra emelem, osztom 'A' koncentrációjával, ami 1 M, szorozva B koncentrációjával, ami 3 M, a 3. hatványon. Így ez 1/27. Néhány dolgon el kell gondolkodnunk. Az, hogy ez kisebb mint 1, mit jelent? Ez azt jelenti, hogy a kiindulási anyagok koncentrációja sokkal nagyobb, mint a termékek koncentrációja, csak a termékeket látjuk az egyenlet jobb oldalán. Ha a reakció eléri az egyensúlyt, még mindig sokkal több marad ebből, mint ebből. És mivel sokkal több van abból, az egyensúlyi állandó kisebb, mint 1, ami azt jelenti, hogy a reakció ebbe az irányba tolódik el. Ez visszafelé tolódik el. Gondolkodjunk el ezen. Mivel több van ebből, ez többször játszódik le, mint a balról jobbra tartó reakció. A balról jobbra tartónak ilyen kicsi nyílnak kellene lennie, ugyanakkor nagyobb mértékben játszódik le arra, ezért több reagál itt, ezért lesz az egyensúlyi állandó 1-nél kisebb. Azonban, ha az egyensúlyi állandó nagyobb, mint 1, az azt jelenti, hogy a számláló nagyobb, mint a nevező. Ami azt jelenti, hogy nagyobb a koncentráció – ha elértük az egyensúlyt, végül több anyag van a jobb oldalon, mint a bal oldalon, ami azt jelenti, hogy a reakció előrefelé megy. A másik érdekes dolog, hogy ki tudjuk számolni, mi történik, ha még egy mól A-t adunk a reakcióhoz. Tehát adjunk még 'A'-t a reakcióhoz. Adok még 'A'-hoz. Így most az új 'A' egyenlő 2-vel. Legyen az új 'A' 2. Legyen az új B, mondjuk szeretnék... Ki tudjuk számolni az összefüggést... vagyis nem. Ahelyett, hogy belemennénk ebbe a helyzetbe, ahol megváltoztatom a koncentrációkat, ezt a következő videóban csinálom meg, mivel csak most vettem észre, hogy nagyon kevés időm maradt. De remélhetőleg megértetted, mi az egyensúlyi állandó, és hogyan határozható meg, vagy hogyan definiáljuk. A következő videóban arról fogunk egy kicsit beszélni, hogy mire jó még. Ebben a videóban csak azt mondtuk, ha kisebb mint 1, az azt jelenti, hogy a visszafelé irányuló reakció a kedvezményezett. Ha nagyobb, mint 1, az előreirányuló reakció a kedvezményezett. A következő videóban remélhetőleg megértjük, hogy miért így definiáljuk, és miért nem az ellenkezőjével. Ösztönösen az kérdezném, miért nem 3-szor C koncentrációját osztjuk 1-szer 'A' koncentrációjával meg 3-szor B koncentrációjával? Ez természetesebbnek tűnne számomra, de nem így van. Ez ami ténylegesen állandó, tekintet nélkül arra, hogyan változtatod a különböző reaktánsok koncentrációját. Esetleg beszélni fogunk egy kicsit arról, hogy miért ez a jó, és nem feltétlenül ez.