Kemijska ravnoteža: što je to, kako promijeniti

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-17 05:28

Ravnoteža se obično shvaća kao posebno stanje sustava ili tijela, kada se svi utjecaji koji se na njega vrše međusobno kompenziraju. Ili potpuno odsutan. U kemiji se koncept ravnoteže primjenjuje na reakcije koje se odvijaju između različitih supstanci, odnosno na uvjete za njihovu pojavu.

Koncept ravnoteže

Kemijske reakcije imaju mnogo klasifikacija prema različitim kriterijima, ali kada govorimo o kemijskoj ravnoteži, treba imati na umu što su reverzibilne i nepovratne reakcije.

Ako se kao rezultat reakcije formiraju proizvodi koji međusobno ne djeluju, govore o nepovratnim reakcijama, odnosno idu samo u smjeru naprijed. Obično je jedan od proizvoda u njima plinoviti, blago disociirajući ili netopivi spoj. Na primjer:

Pb(NO₃)₂ + 2ΗCl PbCl₂↓ + 2HNO 3

Na₂CO₃ + 2ΗCl 2NaCl + CO₂↑ + Η 2_O

NaOΗ + ΗCl NaCl + Η₂O

Proizvodi reverzibilnih reakcija mogu međusobno djelovati, stvarajući tako početne tvari, tj.dvije suprotno usmjerene reakcije odvijaju se istovremeno. Ako je u nekom trenutku, pod određenim uvjetima, brzina reakcije naprijed jednaka brzini obrnute, tada se uspostavlja kemijska ravnoteža.

Treba napomenuti da je takva ravnoteža okarakterizirana kao dinamička. Drugim riječima, obje se reakcije nastavljaju, ali koncentracije svih njezinih sudionika ostaju nepromijenjene i nazivaju se ravnotežom.

Matematički, ovo stanje se izražava pomoću konstante ravnoteže (Kp). Neka postoji interakcija tvari opisana jednadžbom aΑ + bB SS + dD. Za suprotne reakcije mogu se napisati formule za izračunavanje njihovih brzina putem zakona djelujućih masa. Budući da će te brzine biti jednake u stanju ravnoteže, moguće je izraziti omjer konstanti brzine dviju suprotnih reakcija. Ovdje će biti brojčano jednaka konstanti ravnoteže.

Vrijednost K_r pomaže u određivanju potpunosti tekućih reakcija. Ako K_p<1, tada se reakcija u smjeru naprijed gotovo ne nastavlja. Ako K_r>1, tada se ravnoteža pomiče na proizvode.

Vrste ravnoteže

Kemijska ravnoteža je istinita, prividna i lažna. Znakovi za pravu ravnotežu su:

• Ako nema vanjskog utjecaja, on je nepromijenjen u vremenu.
• Ako se vanjski utjecaji promijene (ovo se odnosi na temperaturu, tlak, itd.), tada se mijenja i stanje sustava. Ali treba samo vratiti početne vrijednosti uvjeta,ravnoteža se odmah uspostavlja.
• Stanje prave ravnoteže može se postići kako sa strane proizvoda kemijske reakcije, tako i iz polaznih tvari.

Ako barem jedan od ovih uvjeta nije zadovoljen, onda kažemo da je takva ravnoteža prividna (metastabilna). Ako se stanje sustava počne nepovratno mijenjati kada se vanjski uvjeti promijene, tada se takva ravnoteža naziva lažna (ili inhibirana). Primjer potonjeg je reakcija željeza s kisikom.

Koncept ravnoteže je nešto drugačiji u smislu termodinamike i kinetike. Termodinamička ravnoteža se shvaća kao minimalna vrijednost Gibbsove energije za određeni sustav. Pravu ravnotežu karakterizira ΔG=0. A o stanju za koje se izjednačavaju brzine naprijed i obrnuto, to jest, v₁=v_{2, kažu, što je ravnoteža - kinetička.}

Le Chatelierov princip

Henri Le Chatelier proučavao je obrasce promjene ravnoteže u 19. stoljeću, ali je sažeo sva ta djela i kasnije formulirao princip pomične ravnoteže Karl Brown:

ako se na ravnotežni sustav djeluje izvana, tada će se ravnoteža pomaknuti u smjeru smanjenja proizvedenog utjecaja

Drugim riječima, ako postoji bilo kakav utjecaj na ravnotežni sustav, on se nastoji promijeniti na takav način da je taj utjecaj minimalan.

Pomak ravnoteže

Razmotrimo posljedice Le Chatelierovog principa na primjeru jednadžbereakcije:

N₂+ 3Η₂2NΗ₃+ Q.

Ako povećate temperaturu, tada će se ravnoteža pomaknuti prema endotermnoj reakciji. U ovom primjeru oslobađa se toplina, što znači da je izravna reakcija egzotermna, a ravnoteža će se pomaknuti na početne tvari.

Ako povećate tlak, to će dovesti do pomaka u ravnoteži na manje količine plinovitih tvari. U gornjem primjeru postoje 4 mola plinovitih polaznih materijala i 2 mola plinovitih produkata, što znači da će se ravnoteža pomaknuti na produkte reakcije.

Ako povećate koncentraciju polazne tvari, ravnoteža će se pomaknuti u smjeru izravne reakcije i obrnuto. Dakle, ako povećate koncentraciju N₂ ili Η₂, tada će se ravnoteža pomaknuti u smjeru naprijed, a ako amonijak - onda u suprotnom smjeru.