Heterogén egyensúly

Határozzuk meg az egyensúlyi állandót abban a reakcióban, amelyben gázállapotú bór-trifluorid és 3 mól folyékony víz vesz részt. Ezekkel egyensúlyban van – amit kettős nyíllal jelölünk – 3 mól folysav, amely oldott állapotban, azaz vizes oldatban van. Ha nem volna oldatban, akkor hidrogén-fluoridnak hívnánk. Vizes oldatban azonban folysavnak nevezzük, erről majd a későbbiekben ejtünk szót. Emellett keletkezik 1 mól bórsav is, szintén vízben oldott állapotban. H₃BO₃, vízben oldva. Hogyan fejezhető ki az egyensúlyi állandó ilyen esetben? Rávághatnád, hogy ez nem nagy ügy, elkezdjük az egyensúlyi állandó felírását a jobb oldal felől, a szokásos sorrendben. A szimmetria miatt bármelyik irányból elkezdhetném a felírást, de kezdjük jobbról, így a számításhoz a folysav (HF) koncentrációját, vagy molaritását a harmadik hatványon megszorozzuk a bórsav (H₃BO₃) koncentrációjával. Ne feledd, a harmadik hatvány használatával valószínűséget fejezünk ki, mivel a reakciónak az a feltétele, hogy 3 folysavmolekula nagyon közel kerüljön 1 bórsavmolekulához. A legutóbbi videómban láthattad, hogyan magyaráztam el az egyensúlyi állandó jelentését, azt, hogy mekkora eséllyel megy végbe a reakció, vagyis mekkora eséllyel kerülnek ezek a molekulák szoros közelségbe. Ezt persze megoldhatjuk egy állandóval, ami éppen erre szolgál. Ez van tehát a termékek oldalán (vagy a reaktánsok oldalán, attól függően, hogy melyik irányból nézzük). Ezt osztjuk el a bór-trifluorid koncentrációjával, amit megszorzunk – – ezt más színnel írom – – amit megszorzunk a víz koncentrációjával a köbön. A víz persze folyékony állapotú. Kész. Ezt fogjuk kiszámítani. És itt felvetődik az a kérdés, hogy hogyan számoljuk ki a víz koncentrációját. Mekkora a víz koncentrációja? A koncentráció az adott térfogatban lévő mólok száma, de itt hogyan értelmezzük ezt? A bór-trifluorid gázt belevezetjük a vízbe, így keletkeznek ezek az oldott savak. Ezek a molekulák mind feloldódnak a vízben. Mi itt az oldószer? Az oldószer a víz (H₂O). Így megy végbe a reakció, a víz viszont mindenhol ott van. A víz feleslegben van jelen. Ha tényleg tudni szeretnénk a víz koncentrációját, hát egyszerűen mindenhol ott van. Úgy értem, a bór-trifluoridon kívül mindenütt, de a koncentrációja így is egy nagyon nagy érték. Ha a valószínűség szempontjából közelítjük meg a helyzetet, azt mondhatjuk, hogy az átalakuláshoz tudnunk kell a bór-trifluorid-molekula előfordulási valószínűségét egy adott térfogatban, és ehhez kell 3 vízmolekula is ugyanabban a térfogatban. Ám a víz nyilván mindenütt jelen van, hiszen ez az oldószer. A víz mindenütt jelen van, így csak a bór-trifluorid koncentrációjával kell törődnünk. Az odaátalakulás sebessége tehát úgy adható meg, hogy az odaalakulás állandóját szorozzuk, de csupán a bór-trifluorid koncentrációjával. A víz mindenütt jelen van, így a szorzatba nem kell belevenni a vízkoncentrációt, bármi is legyen az, hiszen mindenütt jelen van. A nevezőben tehát nem szerepel az oldószer. A helyes válasz tehát az, hogy a számolás során csak az oldott anyagokat vesszük figyelembe, hiszen a koncentráció nem is igazán értelmezhető a többi anyag esetében. A valószínűség szempontjából megközelítve a kérdés hasonlóan értelmezhető, hiszen a víz mindenütt jelen van. Annak az esélye, hogy a víz előfordul a folyadék valamely kis térfogatában, 1-gyel egyenlő, így 1-gyel kellene szoroznunk, ami nem változtat az eredményen. Nézzünk most egy másik reakciót. Ennek a neve... Minden egyensúlyt, amelyben különböző halmazállapotú anyagok vesznek részt, heterogén egyensúlynak nevezünk. Felírok tehát egy másik heterogén egyensúlyt. Ebben gázhalmazállapotú H₂O, azaz gőz van jelen – tehát ez most nem oldószer –, emellett pedig szilárd szén. Ez tart egyensúlyt gázállapotú hidrogénnel és gázállapotú szén-monoxiddal. Ez heterogén egyensúly, mivel gáz és szilárd állapotú anyagok is jelen vannak. A szilárd állapotú anyag definíció szerint nem lehet oldva sem gázban, sem... korábban beszéltünk kolloidokról, szuszpenziókról és keverékekről, de most oldatokról van szó. Definíció szerint, ami szilárd állapotú, az nincs oldatban. Ha oldott állapotban lenne, akkor ide „aq” jelet írnánk. Mitől függ az odaalakulás sebessége? A szilárd állapot azt jelenti, hogy ott hever egy nagy széndarab, ezt pedig gőz veszi körül, azaz gázállapotú víz. Tehát bármely kiválasztott térfogatban, különösen a széndarab felületéhez közel, mindig jelen van a szén. Itt csak a vízgőz koncentrációja számít. Ez határozza meg az odaalakulás sebességét, így az odaalakulás sebessége megadható valamilyen állandó és a vízgőzkoncentráció szorzataként. A visszaalakulás sebessége pedig a hidrogén és... így rajzolom, mert ez kétatomos molekula, meg egy szén-monoxid-molekula, ami így néz ki. A visszaalakulás sebessége tehát úgy írható fel, mint valamely állandó szorozva annak a valószínűségével, hogy mindkét molekula megtalálható egyazon helyen. A valószínűség persze első közelítésben a koncentrációtól függ. Tehát a hidrogén koncentrációját szorozzuk meg – – a közös megtalálásuk esélyét a szorzás fejezi ki, mivel egyikre is, másikra is szükség van – – a szén-monoxid koncentrációjával. Egyensúlyban tehát ezek egyenlőek, (ez itt egy „r” betű) tehát ez ugyanannyi, mint a visszaalakulás sebessége, azaz a hidrogén koncentrációja szorozva a szén-monoxid koncentrációjával. Osszuk el mindkét oldalt a K állandókkal és a víz koncentrációjával, és megkapjuk az odaalakulási együtthatót, vagy állandót, vagy nevezzük bárminek, osztva a visszaalakulás állandójával, – mindkét oldalon elvégzem az osztást – ez annyi, mint – ezt kivágom és bemásolom – annyi, mint ez osztva ezzel. Ezt nevezhetjük egyensúlyi állandónak, amely két önkényes állandó hányadosa, tehát nevezhető egyensúlyi állandónak. Láthatod, hogy joggal hagytuk figyelmen kívül a szilárd állapotú reagenst az egyensúlyi reakcióban. A példák két tanulsága tehát az, hogy az egyensúlyi állandó kiszámítása során – különösen a heterogén egyensúly esetén – nem vesszük figyelembe az oldószert ahogyan azt az első példában is láttuk, a bór-trifluorid és a víz reakciója során. A vizet, mint oldószert, nem vettük figyelembe, mivel a víz mindenütt jelen van. A szilárd anyagokat sem vesszük figyelembe. Ezeket a későbbiekben lehet, hogy alkalmazni fogjuk, az egyensúlyi állandó kiszámítása során. Találkozunk a következő videóban, amelyben a Le Chatelier-elvről lesz szó!