Przeważnie zapis równań reakcji chemicznych polega na umieszczeniu wzorów substratów reakcji po lewej stronie strzałki reakcji, a wzorów produktów po prawej stronie. Reakcja chemiczna więc, w ujęciu równania, jest to proces, który przebiega od lewej do prawej strony. Taki zapis odpowiada reakcjom nieodwracalnymreakcja nieodwracalnareakcjom nieodwracalnym, trwającym do samego końca, tj. do wyczerpania substratu. Wówczas w równaniu stechiometrycznym reakcjirównanie stechiometryczne reakcjistechiometrycznym reakcji stawia się strzałkę w jednym kierunku. Z praktycznego punktu widzenia wcale nie jest tak łatwo odnaleźć reakcje nieodwracalne. Przy założeniu, że przebiegają w układzie zamkniętymukład zamkniętyukładzie zamkniętym, zawsze może następować odtwarzanie substratów kosztem wydajności produktów. Dla uproszenia, gdy reakcja między nowo powstałymi produktami przebiega w znacznie mniejszym stopniu, niż ta między substratami, to w reakcji umieszcza się jedną strzałkę (w prawo). Przykładem tego może być synteza chlorku potasu.

W przypadku powyższej reakcji – będącej przykładem reakcji kwasu solnego (chlorowodorowego) z wodorotlenkiem potasu – mamy do czynienia z powstaniem soli i wody. Reagują one w znacznie mniejszym stopniu niż ze sobą substraty, dlatego dla tej reakcji odwracalność można pominąć.

Innymi przykładami reakcji nieodwracalnych są reakcje strącania, w wyniku których otrzymuje się nierozpuszczalne osady bądź reakcje przebiegające w układzie otwartymukład otwartyukładzie otwartym, gdzie część reagentów może opuszczać przestrzeń reakcyjną, jak np. reakcja magnezu z kwasem solnym, z czego wydziela się wodór.

Inna sytuacja ma miejsce w przypadku reakcji odwracalnychreakcja odwracalnareakcji odwracalnych – nie biegną one do samego końca, lecz w trakcie ich przebiegu równolegle tworzone są cząsteczki produktów i odtwarzane cząsteczki substratów. Wówczas, w równaniu stechiometrycznym reakcji, stosuje się dwie przeciwnie skierowane strzałki. Przykładami takich reakcji są: reakcje estryfikacji, reakcje dysocjacji elektrolitycznej słabych elektrolitów oraz, przy założeniu układu zamkniętego, synteza jodowodoru lub synteza amoniaku, przedstawiona poniżej.

RbsXwhxSpuzKf

Na schemacie jest równanie reakcji. Po lewej stronie zaznaczono substraty A dodać B, strzałki w dwie strony do produktów C dodać D.

Przykłady reakcji odwracalnych:

W przemianach fizycznych zachodzą również procesy odwracalne, jest to np. parowanie bromu, w wyniku którego ze stężonego roztworu wydzielany jest gazowy brom, i odwrotnie – jego skondensowane opary powodują ponowne skraplanie ciekłego bromu.

Analizując poniższy przykład reakcji odwracalnej – syntezy amoniaku – zauważa się, że w wyniku reakcji cząsteczek wodoru i cząsteczek azotu tworzone są cząsteczki amoniaku.

W miarę upływu czasu reakcji, stężenie cząsteczek substratów zaczyna maleć i reakcja biegnie wolniej. Inaczej zaś sytuacja wygląda dla dużej ilości cząsteczek produktu, które, zderzając się ze sobą, odtwarzają cząsteczki substratów. Trwa to do czasu zrównania się tych dwóch szybkości reakcji. Wtedy stężenia substratów i produktów są stałe, a takie zjawisko nazwane jest stanem równowagi dynamicznej. Ustalenie stanu równowagi reakcji nie oznacza, że reakcja została zahamowana. Procesy tworzenia i rozpadu cząsteczek ciągle następują, jednak posiadają takie same szybkości.

R1eP3p6zZUjgC

Ilustracja przedstawiająca trzy rysunki a, b oraz c. Na rysunkach znajdują się modele kulkowo‑pręcikowe cząsteczek. a) Rysunek przedstawia cząsteczki substratów, to dziewięć cząsteczek wodoru ${\text{H}}_2$ oraz trzy cząsteczki azotu ${\text{N}}_2$. Cząsteczki wodoru reprezentują dwie małe, czerwone kulki, zaś cząsteczki azotu duże niebieskie połączone ze sobą wiązaniem potrójnym. b) Rysunek przedstawia stan przed osiągnięciem stanu równowagi przez układ, są na nim dwie cząsteczki azotu, sześć cząsteczek wodoru oraz dwie cząsteczki amoniaku zbudowanego z atomu azotu połączonego z trzema atomami wodoru. c) Rysunek pokazuje układ w stanie równowagi, w którym obecne są cztery cząsteczki amoniaku, trzy cząsteczki wodoru i jedna cząsteczka azotu, co opisuje równanie: trzy cząsteczki wodoru ${\text{H}}_2$, dodać cząsteczka azotu ${\text{N}}_2$, strzałka w prawo, strzałka w lewo, za strzałkami dwie cząsteczki amoniaku ${\text{NH}}_3$.

R1CrdIOHx0NZ81

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 $\left(0; 0\right)$ 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.

RXwevHIXaqeJm1

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 $\left(0; 0\right)$ 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.

Równowaga chemicznarównowaga chemicznaRównowaga chemiczna jest procesem dynamicznym, czyli takim, dla którego ciśnienie i temperatura nie ulegają zmianie. Z powyższym zjawiskiem jest związana ważna wielkość – 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.

Dla powyższej reakcji stała równowagi reakcjistała równowagi chemicznejstała równowagi reakcji K ma postać:

Polecenie 1

Zapoznaj się z poniższym doświadczeniem. Uzupełnij hipotezę, obserwacje oraz wnioski.

Doświadczenie nr 1

Schemat:

R1Tuq8d0Foktq

Na schemacie znajdują się trzy probówki przedstawiające kolejne etapy doświadczenia. W pierwszej znajduje się NaOH (1M), dodano ${\mathrm{C}\mathrm{H}}_3\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$ (1M). Od probówki strzałka w prawo do probówki, do której dodano trzy krople różowej fenoloftaleiny. Od probówki strzałka w prawo do probówki z roztworem zabarwionym na różowo.

RrXr8A4hUP51X

Problem badawczy: Czy podczas reakcji kwasu octowego i zasady sodowej z dodatkiem fenoloftaleiny powstały roztwór ma barwę różową? Hipoteza: tu uzupełnij. Problem badawczy: Czy podczas reakcji kwasu octowego i zasady sodowej z dodatkiem fenoloftaleiny powstały roztwór ma barwę różową? Sprzęt i odczynniki laboratoryjne: jedna szklana probówka, jednomolowy roztwór kwasu octowego, jednomolowy roztwór eN a O Ha, fenoloftaleina, pipeta, szklany cylinder. Instrukcja: 1. Do probówki należy wprowadzić odpowiednie ilości mianowanego roztworu eN a O Ha (jednomolowy) oraz jednomolowy roztwór Ce Ha 3 Ce O O Ha, całość należy zamieszać. 2. Do otrzymanego roztworu należy dodać trzy krople roztworu fenoloftaleiny. Obserwacje: tu uzupełnij. Wnioski: tu uzupełnij.

Pokaż odpowiedź

Hipoteza: W reakcji kwasu etanowego z wodnym roztworem wodorotlenku sodu z dodatkiem fenoloftaleiny powstały roztwór ma różowy kolor.

Obserwacje: Po zmieszaniu reagentów roztwór pozostał różowy.

Wnioski: Powstały roztwór ma kolor różowy – zabarwienie roztworu pochodzące od fenoloftaleiny. Pomimo właściwej stechiometrii reakcji całość wodorotlenku sodu nie przereagowała. Reakcja jest odwracalna.

Polecenie 2

Zapoznaj się z poniższym doświadczeniem. Uzupełnij problem badawczy, obserwacje oraz wnioski.

Doświadczenie nr 2

Schemat:

R1HDIMi8KH05u

Na schemacie znajdują się dwie probówki przedstawiające etapy doświadczenia. W pierwszej znajduje się woda, dodano ${\mathrm{C}\mathrm{H}}_3\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{N}\mathrm{a}(\mathrm{s})$. Od probówki strzałka w prawo do probówki, do której dodano różową fenoloftaleinę.

RzmmeUdnrmt0z

Problem badawczy: Czy octan sodu ulega w wodzie częściowej hydrolizie z wytworzeniem odczynu zasadowego?. Hipoteza: (Uzupełnij). Sprzęt i odczynniki laboratoryjne: 1 szklana probówka; 1M roztwór kwasu octowego; 1M roztwór NaOH; fenoloftaleina; pipeta; szklany cylinder. Instrukcja: 1. Do probówki należy wprowadzić odpowiednie ilości mianowanego roztworu NaOH (1M) oraz 1M roztwór CH3COOH, całość należy zamieszać. 2. Do otrzymanego roztworu należy dodać trzy krople roztworu fenoloftaleiny. Obserwacje: (Uzupełnij). Wnioski: (Uzupełnij).

Pokaż odpowiedź

Hipoteza: Etanian sodu ulega częściowej hydrolizie w wodzie, ponieważ zasadowy odczyn powstałego roztworu powoduje różowe zabarwienie fenoloftaleiny.

Obserwacje: Po zmieszaniu reagentów bezbarwny roztwór zabarwił się na różowo.

Wnioski: Etanian sodu ulega hydrolizie, a jednym z produktów tej reakcji jest związek o charakterze zasadowym, stąd obserwujmy różowe zabarwienie roztworu.

Słownik

Bibliografia

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa, 1994.

Encyklopedia PWN

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

www.openstax.org/books/chemistry‑atoms‑first‑2e/pages/13‑introduction 6 [dostęp 12.11.2020].

www.chem1.com/acad/webtext/chemeq/Eq‑01.html#NAP [dostęp 12.11.2020].