Chemická rovnováha

Chemická rovnováha

Chemická rovnováha – alebo rovnovážny stav – stav charakterizovaný konštantnou, t.j. nemennou koncentráciou reaktantov a produktov v reakčnom systéme. (S postupným znižovaním koncentrácie reaktantov a zvyšovaním sa koncentrácie produktov, sa v sústave rýchlosti priamej a spätnej reakcie vyrovnajú, pomer množstiev reaktantov a produktov sa (za danej teploty a tlaku) s časom ďalej nemení, hovoríme, že nastala chemická rovnováha).

Pri chemickej rovnováhe:

– naďalej prebiehajú chemické reakcie, priame aj spätné – ustálená rovnováha má dynamický charakter

– koncentrácia látok reakčnej sústavy sa nemení, lebo rýchlosti priamej a spätnej reakcie sa rovnajú, t.j. produkty priamej aj spätnej reakcie vznikajú rovnakou rýchlosťou

– koncentrácie látok v sústave nazývame rovnovážne koncentrácie, označujeme ich hranatými zátvorkami
Príklad:
, – rovnovážne koncentrácie reaktantov, , – rovnovážne koncentrácie produktov

Dynamická rovnováha – stav chemickej rovnováhy z mikroskopického hľadiska, pretože reakcie (priama a spätná) prebiehajú naďalej, rýchlosti priamej a spätnej reakcie sa vyrovnajú a ustália sa rovnovážne koncentrácie reaktantov a produktov.

Zákon chemickej rovnováhy – Podiel súčinu rovnovážnych koncentrácií produktov umocnených príslušnými stechiometrickými koeficientmi a súčinu rovnovážnych koncentrácií reaktantov umocnených príslušnými stechiometrickými koeficientmi je konštantný a nazýva sa rovnovážna konštanta (Guldberg a Waage)

Rovnovážna konštanta, ozn. K – podiel súčinu rovnovážnych koncentrácií produktov a súčinu rovnovážnych koncentrácií reaktantov umocnených príslušnými stechiometrickými koeficientami ( dá sa odvodiť z rýchlostnej kinetickej rovnice)

Odvodenie: , , – rýchlosti priamej a spätnej reakcie, podľa Guldberg – Waagovho zákona platí: , v stave chemickej rovnováhy platí pre priamu reakciu: a pre spätnú: . Rýchlosti sa vyrovnajú, takže platí:

Hodnota rovnovážnej konštanty K – udáva, v akom rozsahu sa pri určitej teplote v uzavretej sústave uskutočnila premena reaktantov na produkty, t.j.:

– K >> 103 (prakticky) jednosmerná reakcia

– K >> 1 rovnováha posunutá na stranu produktov (→)

– K ≈ 1 „ukážková“ vratná reakcia

– K << 1 rovnováha posunutá na stranu reaktantov (←)

– K << 10-3 reakcia (prakticky) neprebieha

Posun rovnováhy – pri zasiahnutí vonkajšími vplyvmi (tlak, teplota, koncentrácia reaktantov alebo produktov) sa naruší pôvodná rovnováha a dochádza k vytvoreniu novej rovnováhy. Podľa Le Chatelier – Braunovho princípu akcie a reakcie: Porušenie chemickej rovnováhy vonkajším vplyvom (akcia) vyvoláva dej (reakciu), ktorý vedie k zrušeniu účinku vonkajšieho vplyvu (koniec 19. storočia – 1884 – 1886). Ide o princíp pohyblivej rovnováhy.
„Každá zmena vonkajších podmienok (každá akcia) vyvolá v rovnovážnej zmesi zásah proti tejto akcii, ktorá vyvolala porušenie chemickej rovnováhy.“

Faktory ovplyvňujúce chemickú rovnováhu
A) Ovplyvňovanie chemickej rovnováhy zmenou koncentrácie:
Akcia: Reakcia:
pridanie reaktantu alebo odobratie produktu ® zvýšenie koncentrácie produktu
Rovnováha sa posúva doprava, zvyšuje sa stupeň premeny počiatočných látok, čo má za následok zvýšenie výťažku reakcie.
odobratie reaktantu alebo pridanie produktu ® zvýšenie koncentrácie reaktantu
Rovnováha sa posúva doľava, stupeň premeny počiatočných látok sa znižuje.
B) Ovplyvňovanie chemickej rovnováhy zmenou teploty:
Akcia: Reakcia:
– pre endotermické reakcie ΔH > 0
zvýšenie teploty ® posúva rovnováhu smerom k produktom (doprava)
Stupeň premeny sa zvyšuje.
zníženie teploty ® posúva rovnováhu smerom k reaktantom (doľava)
Stupeň premeny sa znižuje.

– pre exotermické reakcie ΔH < 0
zvýšenie teploty ® posúva rovnováhu smerom k reaktantom (doľava)
Stupeň premeny sa znižuje.
zníženie teploty ® posúva rovnováhu smerom k produktom (doprava).
Stupeň premeny sa zvyšuje.

ALEBO

– Ak zvýšime teplotu, rovnováha sa posunie v smere reakcie, pri ktorej sa teplo spotrebúva teda v smere endotermickej chemickej reakcie.

– Ak znížime teplotu, rovnováha chemickej reakcie sa posunie v smere reakcie,

pri ktorej sa teplo uvoľňuje, teda podporíme exotermickú chemickú reakciu.

Príklad:
Reakcia oxidu siričitého s kyslíkom za vzniku oxidu sírového:
2SO2 + O2 ↔ 2 SO3 Qm=∆H = – 196,7 kJ (teplo sa uvoľňuje)

Teda – uvedená reakcia prebieha za uvoľňovania tepla, a keď zvýšime teplotu, rovnováha chemickej reakcie sa posúva v smere rozkladu oxidu sírového. Keď teplotu znížime, rovnováha chemickej reakcie sa posunie v smere vzniku oxidu sírového.

C) Ovplyvňovanie chemickej rovnováhy zmenou tlaku

– len u reakcií, u ktorých sa menia látkové množstvá plynných zložiek reakčnej sústavy.
Zvýšenie tlaku (akcia) vyvolá dej (reakciu), k zníženiu tlaku v reakčnej zmesi.
Akcia: Reakcia:
zníženie tlaku ® zvýšenie koncentrácie v smere väčšieho počtu plynných častíc

zvýšenie tlaku ® zvýšenie koncentrácie v smere menšieho počtu plynných častíc
Príklad: N2(g) + 3H2(g) 2NH3
Riešenie:
zvýšenie tlaku = posun v smere priamej reakcie ®
zníženie tlaku = posun v smere spätnej reakcie ¬
Príklad:
Určte ako vplýva zvýšenie tlaku na chemickú rovnováhu nasledovnej chemickej reakcie:
CO + H2O ↔ CO2 + H2
Riešenie:
Keďže v priebehu chemickej reakcie sa látkové množstvo plynných zložiek nemení, tlak nevplýva na chemickú rovnováhu.

D) Katalyzátor a chemická rovnováha
Pridanie katalyzátora do reakčnej sústavy nespôsobí posun chemickej rovnováhy. Prítomnosť katalyzátora urýchľuje priebeh chemickej reakcie, teda skracuje čas ustálenia chemickej rovnováhy.

Využite: Princíp pohyblivej rovnováhy umožňuje s ďalšími poznatkami o chemickom deji predpovedať vhodnosť určitých podmienok pre výrobu chemických látok. Tento jav sa uplatňuje najmä pri výrobe a príprave určitých chemických látok. Napríklad ak chceme získať čo najväčšie množstvo produktu, posúvame rovnováhu chemickej reakcie v smere k produktu. A naopak, v prípade, že chemickou reakciu vzniká veľké množstvo produktu, ktoré je neželané, môžeme posunúť rovnováhu v smere reagujúcich látok – reaktantov.

Cvičenia:

1. Napíšte vzťah pre výpočet rovnovážnej konštanty reakcie:

a) H2(g) + I2(g) ↔ 2HI(g)

b) 2SO3(g) ↔ 2SO2(g) + O2(g)

2. Určte, v ktorom smere sa posunie rovnováha daných reakcií zvýšením teploty:

a) H2(g) + I2(g) ↔ 2HI(g) + Q

b) CaCO3 (s) ↔ CaO(s) + CO2 (g) ΔH > 0

c) 2H2(g) + O2 (g) ↔ 2H2O(l) ΔH < 0

3. Ako ovplyvní zníženie tlaku posun rovnováhy v reakcii:

a) 2CO(g) + O2(g) ↔ 2CO2(g) ΔH = -566 kJ.mol-1

b) 4HCl(g) + O2(g) ↔ 2H2O(g) + 2 Cl2(g) ΔH = -480 kJ.mol-1

4. Určte, či bude rovnovážna konštanta reakcie
2SO2(g) + O2(g) ↔ 2SO3(g) ΔH < 0 väčšia pri teplote 25ºC alebo 100ºC?