Az egyensúly. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 1 of 27

Átírás

1 Az egyensúly 10-1 Dinamikus egyensúly 10-2 Az egyensúlyi állandó 10-3 Az egyensúlyi állandókkal kapcsolatos összefüggések 10-4 Az egyensúlyi állandó számértékének jelentősége 10-5 A reakció hányados, Q: a várható kémiai reakció irányának megjóslása 10-6 Az egyensúly körülményeinek megváltozása: Le Châtelier elv Fókusz: A nitrogén ciklus, nitrogén vegyületek szintézise Általános Kémia: Az egyensúly Slide 1 of 27

2 10-1 Dinamikus egyensúly Egyensúly Két ellentétes folyamat játszódik le azonos sebességgel. H 2 O(l) H 2 O(g) H 2 O NaCl(s) NaCl(aq) I 2 (H 2 O) I 2 (CCl 4 ) CO(g) + 2 H 2 (g) CH 3 OH(g) Általános Kémia: Az egyensúly Slide 2 of 27

3 10-2 Az egyensúlyi állandó Oda: Vissza: CO(g) + 2 H 2 (g) CH 3 OH(g) k -1 CH 3 OH(g) CO(g) + 2 H 2 (g) k 1 R oda = k 1 [CO][H 2 ] 2 R vissza = k -1 [CH 3 OH] Egyensúlyban: R oda = R vissza k 1 CO(g) + 2 H 2 (g) CH 3 OH(g) k -1 k 1 [CO][H 2 ] 2 = k -1 [CH 3 OH] k 1 k -1 = [CH 3 OH] [CO][H 2 ] 2 = K c Általános Kémia: Az egyensúly Slide 3 of 27

4 Három kiindulási helyzet: V=10 l, T = 483 K Általános Kémia: Az egyensúly Slide 4 of 27

5 A három reakció eredménye A reakcióelegyek összetétele a reakciók lejátszódása után (M) k 1 CO(g) + 2 H 2 (g) CH 3 OH(g) k -1 CO(g) H 2 (g) CH 3 OH(g) K c = [CH 3 OH] [CO][H 2 ] K c(1) = 14.5 M -2 K c(2) = 14.5 M -2 K c(3) = 14.5 M -2 Általános Kémia: Az egyensúly Slide 5 of 27

6 Általános kifejezés a A + b B. g G + h H. Egyensúlyi állandó = K c = Termodinamikai egyensúlyi állandó = K eq = [G] g [H] h. [A] a [B] b. (a G ) g (a H ) h. (a A ) a (a B ) b. a B = [B] c B 0 = B [B] c B 0 standard referencia állapot = 1 mol l -1 (idealis eset) Általános Kémia: Az egyensúly Slide 6 of 27

7 10-3 Az egyensúlyi állandókkal kapcsolatos összefüggések A reakció irányának megfordítása a K invertálását eredményezi. A reakcióegyenlet konstanssal történő szorzása az egyensúlyi állandó megfelelő hatványozását eredményezi. A reakció egyenlet konstanssal történő osztása az egyensúlyi állandó megfelelő gyökét eredményezi. 1 x K 2 Általános Kémia: Az egyensúly Slide 7 of x 2x K 1 K 2 K

8 Reakcióegyenletek összeadása N 2 O(g) + ½O 2 2 NO(g) K c =? N 2 (g) + ½O 2 N 2 O(g) K c(2) = = [N 2 O] [N 2 ][O 2 ] ½ N 2 (g) + O 2 2 NO(g) K c(3) = = [NO] 2 [N 2 ][O 2 ] [NO] 2 K c = = [N2 O][O 2 ] ½ [NO] 2 [N 2 ][O 2 ] [N 2 ][O 2 ] ½ [N 2 O] 1 = K c(3) = K c(2) Általános Kémia: Az egyensúly Slide 8 of 27

9 Gáz egyensúlyi állandó, K P Gázelegyek esetében: K P, a gáz komponensek parciális nyomásaiból számítható. [SO 2 SO 2 (g) + O 2 (g) 2 SO 3 (g) K c = 3 ] 2 [SO2 ] 2 [O 2 ] [SO 3 ]= n SO P 3 SO n 3 = [SO 2 ]= SO P 2 SO 2 = V RT V RT n O P 2 O 2 [O 2 ] = = V RT Általános Kémia: Az egyensúly Slide 9 of 27

10 Egyensúlyi állandó, K P 2 SO 2 (g) + O 2 (g) 2 SO 3 (g) [SO K c = 3 ] 2 [SO2 ] 2 [O 2 ] = P SO 3 RT P SO 2 RT 2 2 P O 2 RT 2 P SO 3 = RT 2 P P SO 2 O2 K c = K P (RT) K P = K c (RT) -1 K P = K c (RT) Δn Általános Kémia: Az egyensúly Slide 10 of 27

11 Tiszta folyadékok és szilárd anyagok Aktivitásuk egységnyi, ezért nem jelennek meg az a gázfázisra vonatkozó egyensúlyi állandóban C(s) + H 2 O(g) CO(g) + H 2 (g) K c = [CO][H 2 ] = [H 2 O] P CO P H 2 (RT) -1 P H 2O Általános Kémia: Az egyensúly Slide 11 of 27

12 Égetett mész CaCO 3 (s) CaO(s) + CO 2 (g) K c = [CO 2 ] K P = P CO 2 (RT) Általános Kémia: Az egyensúly Slide 12 of 27

13 10-4 Az egyensúlyi állandó számértékének jelentősége Általános Kémia: Az egyensúly Slide 13 of 27

14 10-5 A reakcióhányados, Q: a várható kémiai reakció irányának megjóslása. k 1 CO(g) + 2 H 2 (g) CH 3 OH(g) k -1 Q és az egyensúlyi állandó értékének összehasonlítása megadja az irányt. Q c = [C] tc [D] t d [A] ta [B] t b Egyensúlyban: Q c = K c Általános Kémia: Az egyensúly Slide 14 of 27

15 Reakcióhányados és reakcióirány Egyensúly A reakció előrehaladási iránya: jobbra balra Ha a Q c reakció hányados kisebb mint a K c egyensúlyi állandó, akkor a reakció jobbra indul (a ) és (b), ellenkező esetben balra indul (d), (e). Általános Kémia: Az egyensúly Slide 15 of 27

16 10-6 Az egyensúly körülményeinek megváltozása: Le Châtelier elv Amikor egy egyensúlyban lévő rendszer hőmérsékletét, nyomását, vagy a reagensek aktivitását megváltoztatjuk, a rendszer úgy reagál, hogy az új egyensúlyban csökkentse (amennyire lehet kompenzálja) a változást. Az egyensúlyban lévő rendszer a külső zavarásra úgy reagál, hogy a zavarás hatásait csökkentse. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 16 of 27

17 Le Châtelier elv: Példa k 1 2 SO 2 (g) + O 2 (g) 2 SO 3 (g) k -1 K c = at 1000K Q = [SO 3 ] 2 [SO 2 ] 2 [O 2 ] = K c Q > K c Általános Kémia: Az egyensúly Slide 17 of 27

18 A feltételek megváltozásának hatása Egy reakciókomponens hozzáadása megváltoztatja a nyomást P g. Inert gáz hozzáadása megváltoztatja az össznyomást. A relatív parciális nyomások változatlanok. A rendszer térfogatának megváltoztatása megváltoztatja az egyensúlyt. [SO K c = 3 ] 2 [SO2 ] 2 [O 2 ] = n SO 3 V V n SO n O 2 V 2 n SO 3 = V 2 n n SO 2 O2 Általános Kémia: Az egyensúly Slide 18 of 27

19 A térfogatváltozás hatása [G] K c = g [H] h n = G n H V (a+b)-(g+h) [A]a [B] b g a n A h b n B = g n G a n A h n H b n B V -Δn Amikor a reakcióelegy térfogatát csökkentjük, olyan változás következik be, mely a molekulák számát csökkenti. Ha a térfogatot növeljük, olyan változás következik be, amely növeli a molekulák számát. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 19 of 27

20 A hőmérséklet hatása az egyensúlyra A hőmérsékletét emelése endoterm reakciót indít (ami lehűti a rendszert). A hőmérséklet csökkentése exoterm reakciót indít (ami melegíti a rendszert). Általános Kémia: Az egyensúly Slide 20 of 27

21 A katalizátor hatása az egyensúlyra A katalizátor megváltoztatja a reakció mechanizmusát, csökkenti az aktiválási energiagátat. A katalizátor nem befolyásolja az egyensúlyt. De befolyásolja az egyensúly beálltának sebességét. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 21 of 27

22 Fókusz: A nitrogén ciklus, nitrogén vegyületek szintézise k 1 N 2 (g) + O 2 (g) 2 NO(g) k -1 K P = K-en és 1.3 x K-en. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 22 of 27

23 Ammónia színtézis Exoterm reakció alacsony T N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) Dn = -2, nagy P Az optimális körülmények csak az egyensúlyra vonatkoznak, de nem mondanak semmit az egyensúly elérésének sebességéről. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 23 of 27