Fő tartalom
Kémia
Tantárgy/kurzus: Kémia > 6. témakör
1. lecke: Az egyensúlyi állandó- Egyensúlyi reakciók
- Az egyensúlyi állandó bevezetése
- A K egyensúlyi állandó
- Az egyensúlyi állandó értelmezése
- Heterogén egyensúly
- A Kp egyensúlyi állandó kiszámítása parciális nyomásokból
- Elhanyagolásos módszer kis egyensúlyi állandó esetén
- Elhanyagolásos módszer nagy egyensúlyi állandó esetén
- Az egyensúlyi állandó felírása
© 2023 Khan AcademyFelhasználási feltételekAdatkezelési tájékoztatóSüti figyelmeztetés
A K egyensúlyi állandó
Reverzibilis reakciók, egyensúly és a K egyensúlyi állandó. Hogyan számolhatjuk ki K-t, és hogyan használhatjuk annak eldöntésére, hogy egy reakció egyensúlyban a termékek vagy a kiindulási anyagok képződésének kedvez-e?
Főbb pontok
- A reverzibilis reakciók oda- és visszafelé is lejátszódhatnak.
- Egyensúlynak nevezzük, ha az odafelé irányuló reakció sebessége megegyezik a visszafelé irányuló reakció sebességével. Valamennyi kiindulási anyag és termék koncentrációja állandó egyensúlyban van.
- Adott a következő reakció:
, az egyensúlyi állandó , más néven vagy , amelyet a következőképpen definiálunk:
- Azokra a reakciókra, amelyek nincsenek egyensúlyban, hasonló kifejezést írhatunk fel, az ún. reakcióhányadost,
-t, amely egyensúlyban -vel egyenlő. és segítségével meghatározhatjuk, hogy egyensúlyban van-e egy reakció, kiszámolhatjuk az egyensúlyi koncentrációkat, és megállapíthatjuk, hogy egy reakcióban egyensúlyban a kiindulási anyagok vagy a termékek a kedvezményezettek.
Bevezetés: a reverzíbilis reakciók és az egyensúly
A reverzibilis reakciók mindkét irányba lejátszódhatnak. A legtöbb reakció zárt rendszerben elméletileg megfordítható, bár néhányat irreverzibilisnek tekinthetünk, ha a kiindulási anyagok vagy a termékek képződése erősen kedvezményezett. A kettős nyilat akkor használjuk, ha megfordítható reakció egyenletét írjuk fel. A , szemléletesen mutatja, hogy ezek a reakciók mehetnek a felső nyíl irányába, előrefelé, amikor termék képződik, vagy az alsó nyíl irányába, visszafelé, amikor kiindulási anyag keletkezik. A megfordítható reakciókra példa a nitrogén-dioxid, képződése dinitrogén-tetroxidból, :
Képzeljük el, hogy színtelen gázt teszünk szobahőmérsékleten egy üres üvegedénybe. Ha sokáig figyeljük, akkor látni fogjuk, hogy a lombikban levő gáz narancssárgás lesz, majd fokozatosan sötétedik, mígnem állandósul a színe. A
és a koncentrációját ábrázolhatjuk az idő függvényében, ahogy az alábbi ábrán látható.
Kiinduláskor a lombik csak -ot tartalmaz, és a koncentrációja 0 M. Ahogy a átalakul -dá, a koncentrációja egy bizonyos pontig növekszik – az ábrán a szaggatott vonaltól balra látható –, majd állandó lesz. Hasonlóan, a koncentrációja a kiindulási értékről csökken, amíg el nem éri az egyensúlyi koncentrációt. Amikor a és a koncentrációja állandósul, a reakció elérte az egyensúlyt.
Minden reakció a kémiai egyensúly felé tart, amikoris az előre- és visszairányuló reakció is ugyanazzal a sebességgel játszódik le. Mivel az oda- és visszaalakulás sebessége egyenlő, az egyensúlyban a kiindulási anyagok és a termékek koncentrációja állandó. Fontos megjegyezni, hogy bár az egyensúlyban a koncentrációk állandóak, a reakció továbbra is megy! Ezért nevezzük ezt az állapotot gyakran dinamikus egyensúlynak.
A különböző reaktánsok egyensúlyi koncentrációi segítségével definiálhatjuk az egyensúlyi állandónak nevezett mennyiséget,
-t, amit néhány esetben -val vagy -val jelölünk. Az alsó indexbe írt a koncentrációra utal, mivel az egyensúlyi állandó egy adott hőmérsékletre vonatkozó egyensúlyi koncentrációkat adja meg egységben. Az egyensúlyi állandó segít annak megértésében, hogy egy reakció egyensúlyi helyzetében a termékek vagy a kiindulási anyagok koncentrációja-e a nagyobb. segítségével azt is megállapíthatjuk, hogy egy reakció egyensúlyban van-e.
Hogy számoljuk ki -t?
Vegyük az alábbi reverzibilis reakciót:
Ha a reakcióban résztvevő minden részecskének ismerjük az anyagmennyiség-koncentrációját, akkor az alábbi összefüggés segítségével meghatározhatjuk értékét:
ahol és a termékek egyensúlyi koncentrációja; és a kiindulási anyagok koncentrációja; és , , , és a rendezett reakcióegyenlet sztöchiometriai együtthatói. A koncentrációt általában molaritásban adják meg, amelynek a mértékegysége.
Fontos, hogy a meghatározása során ne felejtsük el az alábbiakat:
egy adott reakcióra, adott hőmérsékletre vonatkozó állandó. Ha a hőmérséklet változik, akkor is változni fog.- A szilárd anyagokat és folyadékokat – beleértve az oldószereket is – nem tüntetjük fel az egyensúlyi állandóban.
- A
-t egyes tankönyvekben gyakran mértékegység nélkül adják meg. - A
helyes értékének meghatározásához a reakcióegyenletet úgy rendezzük, hogy az együtthatók a lehető legkisebb egész számok legyenek.
Megjegyzés: Ha a kiindulási anyagok vagy termékek valamelyike gáz, akkor a gázok parciális nyomása segítségével is felírhatjuk az egyensúlyi állandót. Ezt az értéket jellemzően -vel jelöljük, hogy megkülönböztessük az anyagmennyiség-koncentrációban megadott egyensúlyi állandótól. Ebben a tananyagban azonban a -re fogunk összpontosítani.
Mit tudhatunk meg nagyságrendjéből a reakció egyensúlyára nézve?
- Ha
nagyon nagy, ~1000, vagy nagyobb, többnyire a termékek lesznek jelen az egyensúlyban. - Ha
nagyon kicsi, ~0,001, vagy nagyobb, többnyire a kiindulási anyagok lesznek jelen az egyensúlyban. - Ha
0,001 és 1000 közötti érték, akkor a kiindulási anyagok és a termékek is számottevő mennyiségben lesznek jelen az egyensúlyban.
Ezeket az irányelveket figyelembe véve megbecsülhetjük, hogy a reakció a felső nyíl, a termékképződés irányába sokkal kedvezőbb — nagyon nagy — vagy az alsó nyíl, a kiindulási anyagok képződésének irányába sokkal kedvezőbb — nagyon kicsi — vagy valahol a kettő között.
Példa
1. rész: egyensúlyi koncentrációkból történő meghatározása
Vegyük a kén-dioxid és az oxigén közötti, kén-trioxid képződésével járó egyensúlyi reakciót:
A reakció hőmérsékleten egyensúlyban van, és a következő egyensúlyi koncentrációkat mérték:
A reakció értéke hőmérsékleten a következő összefüggéssel számolható ki:
Ha a megadott egyensúlyi koncentrációkat beírjuk a fenti egyenletbe, ezt kapjuk:
Jegyezzük meg, hogy mivel a számított 0,001 és 1000 között van, azt várjuk, hogy a kiindulási anyagok és a termékek is számottevő mennyiségben lesznek jelen az egyensúlyban, nem csak kiindulási anyagok, vagy csak termékek lesznek.
2. rész: A reakcióhányados, alkalmazása annak eldöntésére, hogy a reakció egyensúlyban van-e
Most már ismerjük ezen a hőmérsékleten az egyensúlyi állandót: . Képzeljük el, hogy ugyanez a reakció, ugyanez a hőmérséklet, , de most egy másik reakcióedényben a következő koncentrációkat határozzák meg:
Tudni szeretnénk, hogy egyensúlyban van-e a reakció, de hogyan tudhatnánk ezt meg? Ha nem vagyunk biztosak abban, hogy a reakció egyensúlyban van-e, akkor kiszámolhatjuk a reakcióhányadost, -t:
Lehet, hogy csodálkozol azon, hogy ez az egyenlet miért hasonlít annyira a korábbihoz, és miben különbözik -től. A legfontosabb különbség az, hogy -t a reakció bármely pontjában kiszámíthatjuk, akár egyensúlyban van a reakció, akár nem, de -t csak egyensúlyban határozhatjuk meg. Ha -t -hez hasonlítjuk, meg tudjuk mondani, hogy a reakció egyensúlyban van-e, mert egyensúly esetén .
Ha a fenti koncentrációkat beírva kiszámoljuk -t, akkor ezt kapjuk:
Mivel értéke megegyezik -vel, tudjuk, hogy az új reakció is egyensúlyban van. Hurrá!
2. példa: az egyensúlyi összetétel meghatározása segítségével
Tekintsük a , és egyensúlyi elegyét:
Az egyensúlyi állandó a következőképpen írható fel:
Tudjuk, hogy az egyensúlyi állandó egy adott hőmérsékleten , és ismerjük az alábbi egyensúlyi koncentrációkat is:
Mennyi a egyensúlyi koncentrációja?
Mivel kisebb, mint 0,001, előre tudhatjuk, hogy a and kiindulási anyagok sokkal nagyobb koncentrációban lesznek jelen az egyensúlyban, mint a termék. Így azt várjuk, hogy az egyensúlyi koncentráció nagyon kicsi lesz a kiindulási anyagok egyensúlyi koncentrációjához képest.
Ha tudjuk, hogy és egyensúlyi koncentrációja 0,1 M, átrendezzük a egyenletét, hogy kiszámoljuk a koncentrációját:
Ha behelyettesítjük az egyensúlyi koncentrációkat és értékét, akkor ezt kapjuk:
Ahogy megjósoltuk, a koncentrációja, , sokkal kisebb, mint a kiindulási anyagok koncentrációi ( és ).
Összefoglalás
- A reverzibilis reakciók oda- és visszafelé is lejátszódhatnak.
- Egyensúlynak nevezzük, ha az odafelé irányuló reakció sebessége megegyezik a visszafelé irányuló reakció sebességével. Valamennyi kiindulási anyag és termék koncentrációja állandó egyensúlyban van.
- Az adott
egyenlet, , más néven , vagy egyensúlyi állandóját az anyagmennyiség-koncentráció segítségével a következőképpen definiáljuk:
- Azokra a reakciókra, amelyek nincsenek egyensúlyban, hasonló kifejezést írhatunk fel, az ún. reakcióhányadost,
-t, amely egyensúlyban -vel egyenlő. segítségével eldönthetjük, hogy egy reakció egyensúlyban van-e, kiszámíthatjuk az egyensúlyi koncentrációkat, valamint eldönthetjük, hogy a reakció egyensúlyban a termékek vagy a kiindulási anyagok képződésének kedvez-e.
Szeretnél részt venni a beszélgetésben?
Még nincs hozzászólás.