Przeczytaj

Reakcja chemiczna to proces tworzenia nowych produktów. Zapis równania reakcji oparty jest zasadę, wg której wzory substratów umieszcza się po lewej stronie strzałki, a wzory produktów po prawej stronie. Znane są reakcje nieodwracalnereakcja nieodwracalnanieodwracalne i odwracalnereakcja odwracalna odwracalne. Dla opisu stanu równowagirównowaga chemicznarównowagi dynamicznej istotne są reakcje odwracalne. Przez takie reakcje należy rozumieć te, które nie przebiegają do samego końca, lecz w trakcie ich przebiegu równolegle tworzone są cząsteczki produktów i odtwarzane cząsteczki substratów, wówczas w równaniu reakcji stosuje się dwie przeciwnie skierowane strzałki.

3 H_{2} + N_{2} ⇄ 2 {NH}_{3}

bg‑azure

Czym jest stan równowagi dynamicznej?

Na skutek reakcji, zachodzącej pomiędzy cząsteczkami wodoru i azotu, tworzone są cząsteczki amoniaku. W miarę upływu czasu reakcji, stężenie cząsteczek substratów zaczynają maleć, więc reakcja syntezy amoniaku przebiega coraz wolniej (od lewej do prawej). Inaczej sytuacja wygląda dla cząsteczek produktu, których w miarę upływu czasu jest coraz więcej. Cząsteczki amoniaku zaczynają ulegać reakcji rozpadu, odtwarzając azot oraz wodór. Szybkość tej reakcji stopniowo rośnie. Trwa to do momentu zrównania się ze sobą szybkości obu omawianych reakcji. Wówczas stężenia substratów i produktów są stałe, a takie zjawisko nazywane jest stanem równowagi dynamicznej. Jego ustalenie nie oznacza, że reakcja została zahamowana. Procesy tworzenia i rozpadu cząsteczek ciągle następują, jednak zachodzą z równą szybkością.

R1CrdIOHx0NZ8

Ilustracja przedstawiająca wykres zależności stężenia wyrażanego w molach na decymetr sześcienny od czasu wyrażonego w minutach. Przedstawione są dwie krzywe, pierwsza mająca początek w punkcie 0; 0 i reprezentująca stężenie amoniaku w miarę postępu reakcji. Krzywa łagodnie rośnie i wypłaszcza się, przyjmując stałą wartość stężenia. Druga krzywa zaczyna się na osi Y w jej górnej części oraz odpowiada stężeniu wodoru w miarę postępu reakcji. Krzywa łagodnie maleje i wypłaszcza się, przyjmując stałą wartość stężenia poniżej wartości, jaka ustanowiła się dla amoniaku. Krzywe są nałożonym na siebie odbiciem lustrzanym. — Wykres przedstawia zmiany stężeń produktów i substratów od czasu w trakcie przebiegu odwracalnej reakcji $3 H_{2} + N_{2} ⇄ 2 {NH}_{3}$ . Czas zaznaczony na wykresie linią przerywaną to czas osiągnięcia stanu równowagi. Po osiągnięciu stanu równowagi, szybkość reakcji przeciwstawnych jest stała, dlatego stężenia substratów i produktów się nie zmieniają.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

RXwevHIXaqeJm

Ilustracja przedstawiająca wykres zależności szybkości reakcji wyrażanej w molach na decymetr sześcienny razy sekunda od czasu wyrażonego w minutach. Przedstawione są dwie krzywe, pierwsza mająca początek w punkcie 0; 0 i reprezentująca reakcję trzech cząsteczek wodoru z cząsteczką azotu, strzałka w prawo, za strzałką dwie cząsteczki amoniaku. Krzywa łagodnie rośnie i wypłaszcza się, przyjmując stałą wartość szybkości. Druga krzywa zaczyna się na osi Y w jej górnej części oraz odpowiada szybkości dla następującej reakcji: dwie cząsteczki amoniaku, strzałka w prawo, za strzałką trzy cząsteczki wodoru dodać cząsteczka azotu. Funkcja łagodnie maleje w miarę postępu reakcji i wypłaszcza się w miarę postępu reakcji, osiągając wartość szybkości pierwszej reakcji. Zatem szybkości obu opisanych reakcji w stanie równowagi są sobie równe. — W stanie równowagi szybkości reakcji syntezy i analizy są równe, co obrazuje powyższy wykres. Czas zaznaczony linią przerywaną to czas osiągnięcia stanu równowagi – po jego osiągnięciu, szybkości tworzenia amoniaku oraz odtwarzania wodoru i azotu z amoniaku są takie same.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Z powyższym zjawiskiem jest związana wielkość – stężeniowa stała równowagi reakcji. Jest ona równa ilorazowi iloczynu stężeń produktów do iloczynu stężeń substratów (podniesionych do potęg, zgodnych ze współczynnikami stechiometrycznymi), które zostały zmierzone w stanie równowagi.

3 H_{2} + N_{2} ⇄ 2 {NH}_{3}

Dla powyższej reakcji, stała równowagi reakcji K ma postać:

K = \frac{[{NH}_{3}]^{2}}{[H_{2}]^{3} \cdot [N_{2}]}

Czynnikami mającymi wpływ na stan równowagi chemicznej są:

stężenie;
temperatura;
ciśnienie (dla gazów);
objętość mieszaniny reakcyjnej.

Aby dokładniej zrozumieć istotę wpływu powyższych czynników na stan równowagi dynamicznej, należy poznać regułę przekory (regułę Le Chateliera i Brauna)przekory (regułę Le Chateliera i Brauna). Według niej układ, będący w stanie równowagi chemicznej, w momencie działania czynnika zewnętrznego (bodźca), musi zareagować tak, aby zniwelować jego działanie i osiągnąć nowy stan równowagi, możliwie niezbyt odległy od stanu równowagi wyjściowej.

RzScR0iZhGAiF1

Schemat dotyczy wpływu stężenia reagentów na położenie stanu równowagi. Na górze jest zależność: A 2 + 2 B strzałki w dwie strony 2 C. Pod zapisem są następujące opisy: wzrost stężenia substratów powoduje przesunięcie położenia równowagi w prawo. Wzrost stężenia produktów powoduje przesunięcie położenia równowagi w lewo. Spadek stężenia substratów powoduje przesunięcie położenia równowagi w lewo. Spadek stężenia produktów powoduje przesunięcie położenia równowagi w prawo. — Schemat ilustrujący wpływ stężenia reagentów na położenie stanu równowagi. Wzrost stężenia substratów powoduje przesunięcie się położenia równowagi w prawo. Oznacza to, że reakcja wprost zaczyna przebiegać szybciej niż reakcja odwrotna. Dzieje się tak aż do wystąpienia równowagi między stężeniami substratów i produktów – wtedy reakcja wprost i reakcja odwrotna mają tę samą szybkość reakcji. Odwrotna sytuacja ma miejsce, kiedy następuje wzrost stężenia produktów, co powoduje przesunięcie równowagi w lewo. Oznacza to, że reakcja odwrotna przebiega szybciej niż reakcja wprost. Sytuacja ta utrzymuje się aż do wystąpienia równowagi dynamicznej.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Zbadajmy, jak stężenie wpływa na położenie stanu równowagi chemicznej

Reakcja syntezy jodowodoru przebiega w pewnych warunkach ciśnienia i temperatury w fazie gazowej, w układzie zamkniętym, a stała szybkości reakcji wynosi $K = 664,5$ . Między reagentami ustala się stan równowagi dynamicznej. Co się stanie, jeśli do układu dostarczymy cząsteczki substratów?

I_{2 (g)} + H_{2 (g)} ⇄ 2 {HI}_{(g)}

Polecenie 1

Sprawdźmy, jak zmieni się wydajność tworzenia jodowodoru, gdy do reakcji – zamiast 1 mola cząsteczek jodu i 1 mola cząsteczek wodoru – użyjemy 4 mole cząsteczek jodu i 1 mol cząsteczek wodoru. Objętość reaktora to 1 dmIndeks górny 3. W takim przypadku wartości stężeń są równe liczbom moli reagentów.

A. Do powstania 1 mola jodowodoru ( $HI$ ) potrzebne jest 0,5 mol cząsteczkowego wodoru ( $H_{2}$ ) i 0,5 mola cząsteczkowego jodu ( $I_{2}$ ).

Jeżeli liczbę moli jodowodoru, powstałego w wyniku reakcji, oznaczymy jako x, to liczba moli przereagowanych substratów będzie wynosiła 0,5x. Po przeprowadzeniu reakcji (stan równowagowy), liczba moli substratów będzie równa różnicy między stanem początkowym (w tym przypadku 1 mol $H_{2}$ i 1 mol $I_{2}$ ) a liczbą przereagowanych moli (0,5x).

Reagent	Stan początkowy	Przereagowanie	Stan równowagowy
$I_{2}$	1	0,5x	1‑0,5x
$H_{2}$	1	0,5x	1‑0,5x
$HI$	0	x	x

Korzystając ze wzoru na stałą równowagistała równowagi chemicznejstałą równowagi dla tej reakcji:

K = \frac{[HI]^{2}}{[H_{2}] \cdot [I_{2}]}

Podstawiamy znane wielkości oraz wielkości z tabeli:

664,5 = \frac{x^{2}}{(1 - 0,5 x) \cdot (1 - 0,5 x)}

664,5 = \frac{x^{2}}{(1 - 0,5 x)^{2}}

\sqrt{664,5} = \frac{x}{(1 - 0,5 x)}

25,78 \cdot (1 - 0,5 x) = x

25,78 - 12,89 x = x

x = 1,86

Stężenie równowagowe cząsteczek jodu oraz cząsteczek wodoru wynosi 0,07 $\frac{mol}{{dm}^{3}}$ .

Stężenie równowagowe jodowodoru wynosi 1,86 $\frac{mol}{{dm}^{3}}$ , więc wydajność reakcji możemy obliczyć z następującej proporcji:

1 mol I_{2} - 2 mol HI - 100 %

1 mol I_{2} - 1,86 mol HI - y

y = \frac{100 % \cdot 1,86 mol}{2 mol} = 93 %

B. Teraz należy policzyć przypadek drugi.

Jeżeli liczbę moli jodowodoru, powstałego w wyniku reakcji oznaczymy jako x, to liczba moli przereagowanych substratów będzie wynosiła 0,5x. Po przeprowadzeniu reakcji (stan równowagowy), liczba moli substratów będzie równa różnicy między stanem początkowym (w tym przypadku 1 mol $H_{2}$ i 4 mol $I_{2}$ ) a liczbą przereagowanych moli (0,5x).

Reagent	Stan początkowy	Przereagowanie	Stan równowagowy
$I_{2}$	4	0,5x	4‑0,5x
$H_{2}$	1	0,5x	1‑0,5x
$HI$	0	x	x

Korzystając ze wzoru na stałą równowagi dla tej reakcji:

K = \frac{[HI]^{2}}{[H_{2}] \cdot [I_{2}]}

Podstawiamy znane wielkości oraz wielkości z tabeli:

664,5 = \frac{x^{2}}{(4 - 0,5 x) \cdot (1 - 0,5 x)}

664,5 \cdot (4 - 0,5 x) \cdot (1 - 0,5 x) = x^{2}

664,5 \cdot (4 - 2,5 x + 0,25 x^{2}) = x^{2}

2658 - 1661,25 x + 166,125 x^{2} - x^{2} = 0

165,125 x^{2} - 1661,25 x + 2658 = 0

Aby rozwiązać równanie kwadratowe, należy wykorzystać matematyczne wzory:

{ax}^{2} + bx + c = 0

Δ = b^{2} - 4 ac

∆ = - 1661, 25^{2} - 4 \cdot 165,125 \cdot 2658 = 1004142,562

\sqrt{∆} = 1002,07

x_{1} = \frac{1661,25 - 1002,07}{2 \cdot 165,125} = 2,00

x_{2} = \frac{1661,25 + 1002,07}{2 \cdot 165,125} = 8,07

Stężenie równowagowe cząsteczek jodu wynosi 3 $\frac{mol}{{dm}^{3}}$ , z kolei cząsteczek wodoru 0 $\frac{mol}{{dm}^{3}}$ .

Stężenie równowagowe jodowodoru wynosi 2 $\frac{mol}{{dm}^{3}}$ , więc wydajność reakcji możemy obliczyć z następującej proporcji:

1 mol H_{2} - 2 mol HI - 100 %

1 mol H_{2} - 2 mol HI - y

y = \frac{100 % \cdot 2 mol}{2 mol} = 100 %

Z powyższych obliczeń wynika, że wraz ze zwiększeniem stężenia jodu, wydajność tworzenia jodowodoru wzrosła – w drugim przypadku otrzymujemy 100% wydajności, natomiast w pierwszym 97%.

Zatem równowaga przesunęła się w prawo, w stronę tworzenia produktów. Powyższa analiza pozwala na potwierdzenie założenia reguły przekory. Podsumowując: dodatek stężenia substratów spowoduje, że układ będzie dążył do obniżenia stężenia substratów i osiągnie to poprzez tworzenie nowych cząsteczek produktów. Dojdzie więc do przesunięcia równowagi dynamicznej w prawo. (K=const., T =const.). Natomiast gdyby do układu dostarczono cząsteczek produktów, równowaga zostałaby przesunięta w lewo.

RprSG4WOQBJ6a

Schemat dotyczy wpływu temperatury na położenie równowagi dla reakcji egzotermicznej. Na górze schematu jest zależność: A 2 + B 2 strzałki w dwie strony 2 AB Q. Pod spodem są opisy: pod produktem reakcji - dostarczanie ciepła powoduje przesunięcie położenia równowagi w lewo (w stronę substratów); pod substratami opis: powoduje przesunięcie położenia równowagi w prawo, pod produktem napis: ochłodzenie. — Schemat ilustrujący wpływ temperatury na położenie stanu równowagi dla reakcji egzotermicznej – reakcja chemiczna przebiegająca z wydzieleniem energii z układu reakcyjnego do otoczenia. Zgodnie z regułą przekory, wzrost temperatury spowoduje przesunięcie równowagi dynamicznej w lewo, w kierunku kompensacji tej zmiany. Ochłodzenie da natomiast odwrotny efekt – równowaga przesunie się w prawo.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

RK7g57zDsgK3N

Schemat dotyczy wpływu temperatury na położenie stanu równowagi dla reakcji endotermicznej. Na górze schematu jest zależność: A 2 + B 2 Q strzałki w dwie strony 2 AB. Pod spodem opisano: pod substratami reakcji - dostarczanie ciepła powoduje przesunięcie położenia równowagi w prawo (na schemacie w stronę 2AB); pod substratami reakcji - ochłodzenie - powoduje przesunięcie położenia równowagi w lewo. — Schemat ilustrujący wpływ temperatury na położenie stanu równowagi dla reakcji endotermicznej, czyli takiej, która przebiega z pochłanianiem energii z otoczenia do układu reakcyjnego. W przypadku tego rodzaju reakcji, dostarczenie ciepła powoduje przesunięcie się położenia równowagi w prawo, zaś ochłodzenie – przesunięcie równowagi w lewo.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Jak temperatura wpływa na stan równowagi chemicznej?

Zależność stałej równowagi od temperatury opisuje równanie:

lnK = A - \frac{Q}{RT}

gdzie:

A – stała charakterystyczna dla danej reakcji;
Q – ciepło reakcji;
R – stała gazowa;
T – temperatura.

Zmiana temperatury reakcji chemicznej powoduje przesunięcie stanu równowagi chemicznej wraz ze zmianą wartości stałej równowagi dla tej reakcji. Wpływ na położenie stanu równowagi mają też zmiany stężeń reagentów. Jednak w odróżnieniu od wpływu temperatury, w tym przypadku nie zmienia się wartość stałej równowagi reakcji.

Analizując wpływ temperatury na położenie stanu równowagi, należy pamiętać, że różni się on dla reakcji egzotermicznej i endotermicznej. Reakcja egzotermiczna to ta przebiegająca z wydzieleniem ciepła (energii) (deltaH>0), natomiast reakcja endotermiczna to ta przebiegająca z pochłonięciem ciepła (energii) (deltaH<0).

3 H_{2} + N_{2} ⇄ 2 {NH}_{3} ΔH = 91,88 \frac{kJ}{mol}

Synteza amoniaku jest przykładem reakcji egzotermicznej – w jej trakcie wydziela się ciepło. Zatem zwiększenie temperatury dla tej reakcji, zgodnie z regułą przekory, spowoduje przesunięcie równowagi dynamicznej w lewo, w kierunku kompensacji tej zmiany. Wówczas wydajność tworzenia produktu będzie maleć.

Dla reakcji endotermicznej, zwiększenie temperatury spowodowałoby przesunięcie położenia stanu równowagi w prawo, by skompensować zmianę. W takim razie wydajność tworzenia produktu by rosła.

RvuTZ9uA3eY4p1

Na ilustracji są trzy naczynia. W pierwszym w łaźni lodowej (w naczyniu jest woda z kostkami lodu) jest bezbarwny N 2 O 4 . W dugim naczyniu jest woda o temperaturze 25 stopni Celsjusza. W wodzie znajdują się jasnobrązowy N 2 O 4 + N O 2 oznaczone jako A i B. W trzecim naczyniu w łaźni wodnej grzejnej (w wodzie są bąbelki, woda paruje) jest rudobrązowy N O 2 oznaczony jako B. Pomiędzy pierwszym i drugim naczyniem jest równanie: N 2 O 4 ⇋ 2 N O 2 . Pomiędzy drugim i trzecim naczyniem jest zapis: 2 N O 2 ⇋ N 2 O 4 . — Temperatura wpływa na położenie stanu równowagi reakcji.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Słownik

równowaga chemiczna

stan, do którego dąży układ reakcyjny w trakcie przebiegu reakcji odwracalnej

reakcja egzoenergetyczna

reakcja chemiczna, która przebiega z wydzieleniem energii z układu reakcyjnego do otoczenia

reakcja endoenergetyczna

reakcja chemiczna, która przebiega z pochłanianiem energii z otoczenia do układu reakcyjnego

entalpia reakcji

ciepło ( $∆ H$ ) pochłaniane lub wydzielane w czasie reakcji chemicznej, które zostało zmierzone w stałych warunkach ciśnienia i temperatury w stosunku do liczności reagentów

reakcja nieodwracalna

reakcja przebiegająca tylko w jednym kierunku

reakcja odwracalna

reakcja, która przebiega w obu kierunkach, celem osiągnięcia stanu równowagi

reguła przekory (reguła Le Chateliera i Brauna)

reguła mówiąca, że układ będący w stanie równowagi chemicznej, poddany działaniu czynnika zewnętrznego, zareaguje w taki sposób, aby zmniejszyć wpływ tego czynnika i osiągnąć nowy stan równowagi (który będzie możliwie niezbyt odległy od stanu równowagi wyjściowej)

stała równowagi chemicznej

współczynnik opisujący stan równowagi reakcji odwracalnych; równa ilorazowi iloczynu stężeń produktów do iloczynu stężeń substratów (podniesionych do potęg zgodnych ze współczynnikami stechiometrycznymi), które zostały zmierzone w stanie równowagi

Bibliografia

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 1994.

Encyklopedia PWN

Hejwowska S., Marcinkowski R., Równowagi i procesy jonowe, Gdynia 2005.

Chemistry: Atoms First 2e, online: https://openstax.org/books/chemistry‑atoms‑first‑2e/pages/13‑introduction, dostęp: 23.02.2021.

Wprowadzenie

Symulacja interaktywna

Czym jest stan równowagi dynamicznej?

Zbadajmy, jak stężenie wpływa na położenie stanu równowagi chemicznej

Jak temperatura wpływa na stan równowagi chemicznej?

Słownik

Bibliografia