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?
Zones.sk – Zóny pre každého študenta