Czy równowaga chemiczna jest systemem: 7 faktów, które powinieneś wiedzieć

W tym artykule powinniśmy poznać równowagę chemiczną każdej reakcji, a zasadą Le Chateliera jest równowaga chemiczna układu.

Czasami wszystkie reakcje nie kończyły się, jeśli zastosowano do nich odpowiednie warunki. Po pewnym czasie reakcja zostanie zatrzymana przez pozostawienie pewnej ilości reagenta. Właściwie to do pewnego stopnia idą, a potem zatrzymały się, bo na tym etapie się zatrzymały, osiągnęły już stan równowagi. Tak więc, zastosowanie warunków nie zmienia reakcji i nie idą w przód ani w tył, to musimy zastosować różne warunki eksperymentalne.

Szybkość reakcji zarówno do przodu, jak i do tyłu jest równa w stanie równowagi Charakter równowagi jest dynamiczny dla równowagi chemicznej następujące punkty, które należy zauważyć, to równowaga chemiczna układ.

1. równowaga jest dynamiczna
2. Równowagę można osiągnąć z obu kierunków.

1. Co to jest? równowaga chemiczna?

Rozważmy odwracalną reakcję zachodzącą w zamkniętym naczyniu w warunkach stałej temperatury;

Szybkość tej reakcji chemicznej w stałej temperaturze zależy tylko od względnej ilości lub stężenia reagentów. Wzrost stężenia zwiększa szybkość reakcji, podczas gdy spadek stężenia zmniejsza szybkość reakcji.

Na początku układ reakcyjny nie zawiera ani C ani D, ale zawiera A i B. Tak więc reakcja przebiega tylko do przodu. W tej sytuacji stężenie reagentów jest wysokie, więc szybkość reakcji staje się maksymalna w równowadze chemicznej układu.

Gdy tylko C i D zaczną formować się w reakcji do przodu, wchodzą ze sobą w interakcję, aby ponownie wytworzyć A i B. Na początku reakcji stężenie C i D jest bardzo niskie, więc szybkość reakcji wstecznej jest również znikoma w tym momencie w równowadze chemicznej układu.

Jednak wraz ze wzrostem stężenia C i D rośnie szybkość reakcji wstecznej. Z drugiej strony, wraz ze wzrostem stężenia C i D, stężenie A i B stopniowo spada. W rezultacie szybkość reakcji do przodu stopniowo maleje. Po przejściu tego procesu, gdy nadejdzie moment, w którym tempo reakcji postępującej i wstecznej staje się równe w stanie równowagi, następuje równowaga chemiczna układu.

Stan równowagi istnieje w każdej reakcji tylko wtedy, gdy tempo reakcji postępującej i wstecznej staje się równe. W tym stanie reakcja nie osiąga stanu całkowitej stagnacji. Zarówno reakcje do przodu, jak i do tyłu przebiegają jednocześnie z tą samą szybkością reakcji dla określonej reakcji.

W stanie równowagi nazywa się stężenie różnych składników obecnych w układzie reakcyjnym stężenie równowagowe a cała mieszanka jest znana jako mieszanina równowagowa. Jeżeli warunki (tj. temperatura, ciśnienie itp.) reakcji są utrzymywane na stałym poziomie, względne ilości różnych składników obecnych w układzie reakcyjnym nie zmieniają się w czasie jest równowagą chemiczną układu.

Definicja równowagi chemicznej

W danej temperaturze i ciśnieniu, gdy w dowolnej odwracalnej reakcji chemicznej, szybkość reakcji postępującej i szybkość reakcji wstecznej staje się równa reakcji odwrotnej, a względna ilość różnych składników obecnych w układzie reakcyjnym nie zmienia się w czasie , to ten konkretny stan nazywany jest stanem równowagi chemicznej tej konkretnej reakcji jest równowagą chemiczną układu.

Po ustaleniu równowagi jakiejkolwiek odwracalnej reakcji chemicznej, jeśli układ reakcyjny pozostawi się na czas nieokreślony w stałej temperaturze i ciśnieniu, to względna ilość reagentów i produktów pozostanie niezmieniona w równowadze chemicznej układu.

Ta obserwacja prowadzi do wrażenia, że ​​reakcja zatrzymuje się całkowicie w równowadze chemicznej układu.

Udowodniono jednak doświadczalnie, że reakcja nie ustała, a raczej reakcja postępująca i wsteczna przebiegają jednocześnie z tą samą szybkością.  

Dlatego równowaga chemiczna jest oznaczona jako dynamiczny równowaga.

2.    Dlaczego równowaga chemiczna jest układem?

Zanim zaczniemy, dlaczego istnieje równowaga chemiczna, powinniśmy omówić czynnik wpływający na równowagę chemiczną.

Trwałość równowagi chemicznej

Nie ma zmiany w jej równowadze, jeśli fizyczny i chemiczny stan tej reakcji pozostaje niezmieniony, tj. równowaga charakteryzuje się stałym stężeniem reagentów i produktów. Ale zmiana stanu reakcji może zmienić stan równowagi w równowadze chemicznej układu.

Dynamiczna natura równowagi

Nawet po osiągnięciu równowagi, reakcje chemiczne nie ustają. Przy równej lub tej samej prędkości reakcje do przodu i do tyłu zachodzą jednocześnie.

Gdy szybkość reakcji do przodu i szybkość reakcji wstecznej w dowolnej odwracalnej reakcji chemicznej zrównają się, dopiero wtedy reakcja osiąga równowagę lub w tym momencie możemy powiedzieć, że reakcja istnieje w stanie równowagi Tak więc w równowadze, jeśli którakolwiek z reakcji postępujących i odwrotnych staje się w 100% kompletna, sama równowaga traci swoje istnienie. Stąd, aby równowaga istniała, reakcje w obu kierunkach będą musiały być niekompletne, ponieważ równowaga chemiczna jest układem.

Dostępność równowagi z obu kierunków

Gdy odwracalna reakcja chemiczna zostanie rozpoczęta w pewnym zestawie warunków, z reagentami lub produktami tej reakcji, zostanie osiągnięta ta sama równowaga, tj. nie ma znaczenia, czy materiały wyjściowe są reagentami, czy produktami, pod warunkiem, że warunki doświadczalne są identyczne w obu przypadkach jest równowaga chemiczna układu.

Katalizator nie może zmienić stanu równowagi

Stan równowagi osiągnięty w przypadku jakiejkolwiek odwracalnej reakcji chemicznej w obecności lub nieobecności katalizatora jest zawsze taki sam, pod warunkiem, że warunki podczas reakcji są identyczne. Innymi słowy, względna ilość reagenta i produktu pozostaje taka sama, niezależnie od tego, czy katalizator jest stosowany, czy nie, jest układem równowagi chemicznej.

Katalizatory mogą jedynie przyspieszyć szybkość reakcji, ale utrzymują równowagę.

3.    Kiedy system jest w równowadze chemicznej?

Gdy w jakiejkolwiek reakcji stężenie reagentów i stężenie produktów są równe przez zastosowanie temperatury lub ciśnienia lub nawet stężenia, wówczas układ jest w równowadze.

Istnieją dwa układy, w których występuje równowaga chemiczna, układ występuje

Równowaga jednorodna

Równowaga każdej reakcji chemicznej, w której wszystkie substancje, reagenty oraz produkty znajdują się w tej samej fazie lub w tym samym stanie fizycznym, jest znana jako równowaga jednorodna.

N₂(g) + 3H₂(g) = 2NH₃(G)

Równowaga heterogeniczna

Równowaga każdej reakcji chemicznej, w której reagenty i produkty znajdują się w różnych fazach lub w różnym stanie fizycznym, jest znana jako równowaga heterogeniczna.

Złodziej₃(s) = CaO(s) + CO₂(G)

4.    Czy równowaga chemiczna jest układem zamkniętym?

W zamknięty system, każda odwracalna reakcja osiągnie stan równowagi. Właściwie w zamkniętym naczyniu zachodzi równowaga chemiczna układu.

Reakcja odwracalna jest znana jako taka, w której produkty są otrzymywane przez interakcję między reagentami, reagują ze sobą, tworząc reagenty i ustala się równowaga między reagentami i produktami w warunkach reakcji.

W zamkniętym naczyniu rozkład termiczny NH₄Cl to reakcja odwracalna to równowaga chemiczna układu.

Gdy NH4Cl jest podgrzewany w zamkniętym naczyniu w 350⁰C, ulega rozkładowi termicznemu z wytworzeniem gazów NH3 i HCl. Ale nawet po dłuższym czasie obserwuje się, że oprócz gazów NH3 i HCl w pojemniku pozostają nierozłożone opary NH4Cl. Świadczy to o tym, że rozkład Para NH4Cl przez zastosowanie ciepła nigdy nie zostaje zakończona jest równowaga chemiczna układem.

W innym zamkniętym naczyniu równomolowa mieszanina gazów NH3 i HCl jest podgrzewana do 350⁰C przez dłuższy czas i stwierdzono, że naczynie zawiera pary NH4Cl wraz z gazami NH3 i HCl. To jest reakcja pomiędzy NH3 i Gazy HCl w zamkniętym naczyniu nigdy nie są ukończone jest równowaga chemiczna układem.

Zatem można wywnioskować, że para NH4Cl rozkłada się przy ogrzewaniu, tworząc gazowy NH3 i HCl, które ponownie częściowo reagują ze sobą, przekształcając gazowy NH4Cl w danych warunkach reakcji. Innymi słowy, rozkład termiczny par NH4Cl jest reakcją odwracalną.

Charakterystyka reakcji odwracalnej

Główną i jedyną cechą reakcji odwracalnej jest to, że reakcje do przodu i do tyłu zachodzą jednocześnie. W reakcji do przodu, reagenty reagują ze sobą, aby uzyskać produkty, podczas gdy produkty oddziałują ze sobą, aby wytworzyć reagenty w reakcji wstecznej jest równowaga chemiczna układu.

Ze względu na niekompletność reakcji odwracalnej, reagenty nigdy nie ulegają wyczerpaniu w takich reakcjach.

W takich reakcjach stan równowagi istnieje tylko wtedy, gdy tempo reakcji postępującej i wstecznej staje się równe w tej konkretnej reakcji i nie zachodzi żadna zmiana.

Dla odwracalnej reakcji, w stanie równowagi zmiana energii swobodnej Gibbsa wynosi zero.

5.    Czy równowaga chemiczna może zachodzić w układzie otwartym?

Aby pokazać, czy reakcja pozostaje w równowadze chemicznej w układzie otwartym, rozważamy reakcję. Stwierdzono, że większość reakcji jest nieodwracalna, gdy prowadzi się je w otwartych pojemnikach, ale jeśli te same reakcje są przeprowadzane w zamkniętych pojemnikach, wydają się być reakcjami odwracalnymi.

Gdy stałe CaCO₃ jest podgrzewany w otwartym pojemniku

Jeśli ogrzewanie odbywa się w warunkach odsłoniętych, CO₂ gaz ulatnia się z pojemnika do powietrza, a jako pozostałość pozostaje tylko stały CaO. W tym przypadku reagent jest całkowicie wyczerpany. Tak więc reakcja jest uważana za reakcję nieodwracalną i nie obserwuje się równowagi chemicznej w równowadze chemicznej układu.

Nie istnieje więc równowaga w stężeniu produktów, a więc w układzie otwartym równowaga chemiczna nie istnieje. Właściwie ucieka tu zarówno masa, jak i ciepło.

6.    Jak znaleźć równowagę chemiczną układu?

Na podstawie prawa działania masy możemy przewidzieć równowagę reakcji chemicznej, która następuje po obliczeniach stechiometrycznych. W szczegółach możemy obliczyć stałą równowagi zamiast równowagi chemicznej reakcji. Prawa działania masy można określić w zależności od szybkości reakcji na stężenie reagenta reakcji stechiometrycznej.

Rozważmy następującą reakcję chemiczną jeden gram-mol A reaguje z jednym gram-molem b, tworząc jeden gram-mol C: A+B = C

Tak więc, zgodnie z prawem działania mas, w określonej temperaturze w określonym momencie, szybkość reakcji jest równowagą chemiczną układu.

  r α [A][B] lub r =k[A][B]

gdzie k jest stałą proporcjonalności, znaną jako stała szybkości. [A] i [B] to masy aktywne lub stężenia molowe odpowiednio A i B w tym momencie.

Teraz przychodzi w różnym tempie stała równowagi zależy od stężenia, ciśnienia i stężenia molowego.

K_c – jeżeli masy czynne składników uczestniczących w odwracalnej reakcji chemicznej w równowadze wyrażone są w postaci stężenia molowego, to otrzymaną stałą równowagi nazywamy k_c.

aA+bB = dD+eE

k_c = [D]^d*[MI]^e/[A]^a*[B]^b gdzie [A], [B], [D], [E] to molowy stężenie różnych składników w równowadze.

K_p – Jeżeli masy czynne składników uczestniczących w odwracalnej reakcji gazowej w równowadze wyrażone są w postaci ciśnienia cząstkowego, to tak uzyskana stała równowagi jest znana jako k_p.

aA(g)+bB(g) = dD(g)+eE(g)

K_p =p^d_D*p^e_E/p^a_A*p^b_B gdzie pi_A, Str._B, p_D, Str._E  są ciśnieniami cząstkowymi różnych gazów składowych w równowadze.

K_x – stałą równowagi każdej odwracalnej reakcji chemicznej, uzyskaną przez wyrażenie stężenia molowego reagentów i produktów w postaci ich ułamka molowego, oznacza się jako k_x.

aA+bB = dD+eE

k_x=x^d_D*x^e_E/x^a_A*x^b_B gdzie x_AX_B,x_d,x_E są ułamkami molowymi odpowiednio A, B, D i E w stanie równowagi.

7.    Zasada Le Chateliera

Jeśli układ w równowadze podlega zmianie ciśnienia, temperatury lub stężenia lub innym parametrom fizycznym, wówczas równowaga przesunie się w taki sposób, aby zneutralizować efekt tej zmiany.

Czynniki wpływające na zasadę Le Chatelier,

• Efekt wzrostu i spadku ciśnienia
• Efekt wzrostu i spadku temperatury
• Wpływ katalizatora na równowagę
• Wpływ dodatku gazu obojętnego na równowagę

Wnioski

Każda odwracalna reakcja próbuje osiągnąć stan równowagi. Ten stan równowagi występuje dzięki obecności temperatury, ciśnienia, stężenia reagentów, a nawet katalizatorów.

Biswarup Chandra Dey

Cześć… Nazywam się Biswarup Chandra Dey i ukończyłem studia magisterskie z chemii na Uniwersytecie Centralnym w Pendżabie. Moją specjalizacją jest Chemia Nieorganiczna. Chemia to nie tylko czytanie linijka po linijce i zapamiętywanie, to koncepcja, którą można łatwo zrozumieć i tutaj dzielę się z Wami koncepcją chemii, której się uczę, bo warto się nią dzielić.