Przeczytaj

bg‑cyan

Czym jest stała równowagi?

W każdej odwracalnej reakcji chemicznejreakcja odwracalnaodwracalnej reakcji chemicznej może ustalić się stan równowagi.

aA + bB ⇄ cC + dD

Jest on opisywany przez wartość stałej równowagi Kstała równowagi Kstałej równowagi K, która to z kolei jest równa ilorazowi reakcji w stanie doskonałej równowagi, tj. w sytuacji, gdy szybkość reakcji, w stronę od substratów do produktów i od produktów do substratów, jest dokładnie taka sama. Stała K jest przypisana dla konkretnych wartości temperatury oraz ciśnienia. Czynniki zewnętrzne mogą przesuwać stan równowagi w stronę produktów lub substratów.

K_{(T, p)} = \frac{{[C]}^{c} \cdot {[D]}^{d}}{{[A]}^{a} \cdot {[B]}^{b}}

bg‑cyan

Jak ciśnienie wpływa na położenie stanu równowagi?

W tej części rozważymy wpływ ciśnienia na położenie stanu równowagi.

Reakcja syntezy – kiedy z kilku substratów powstaje jeden produkt

Rozważmy hipotetyczną reakcję:

A_{2 (g)} + 3 B_{2 (g)} ⇄ 2 {AB}_{3 (g)}

K_{p} = \frac{p [{AB}_{3}]^{2}}{p [A_{2}] \cdot p [B_{2}]^{3}}

Wszystkie reagenty są w stanie gazowym, przy stałym ciśnieniu i temperaturze. Bilansując (uzgadniając) równanie reakcji zauważymy, że liczba moli substratów (4 mole) jest różna od ilości moli produktów (dwa mole). Synteza związku ${AB}_{3}$ powoduje zmniejszenie się ilości reagentów. Zakłócenie stanu równowagi, poprzez zwiększenie ciśnienia, przesunie równowagę w stronę syntezy produktu, ponieważ układ dąży do powrotu do stanu równowagi. Zmniejszenie ciśnienia natomiast będzie miało skutek odwrotny – przesunięcie równowagi w stronę substratów.

RUDdx4mIC1eHi1

Na ilustracji znajdują się trzy naczynia. Na górze naczyń znajduje się tłok. W pierwszym naczyniu, na rysunku A, znajdują się atomy azotu i wodoru, są połączone po dwa. Wśród nich jest tylko jedna cząsteczka N H indeks dolny trzy. W naczyniu drugim, rysunek B, tłok jest opuszczony o jedną trzecią w porównaniu z naczyniem pierwszym - cząsteczki są zagęszczone bardziej niż na rysunku A. Na rysunku C przeważają cząsteczki amoniaku. — A) Gazy są w stanie równowagi, więc stężenie produktu nie jest wysokie (w układzie znajduje się tylko jedna cząsteczka amoniaku).
B) Poprzez opuszczenie tłoka zwiększa się ciśnienie w układzie. Cząsteczki zaczynają poruszać się szybciej, przez co prawdopodobieństwo ich zderzenia jest większe, a tym samym także zajścia reakcji.
C) Ustala się stan równowagi. Przeważają głównie cząsteczki produktu.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ciekawostka

RHVnCNZ2Hr3P91

Na zdjęciu jest reaktor. Reaktor przypomina dwie długie, połączone ze sobą pierścieniem rury. Jest ustawiony pionowo. — Reaktor Habera I Boscha z 1921r.
Źródło: Darhkrub, pl.wikipedia.org, licencja: CC BY-SA 3.0.

Podwyższenie ciśnienia wodoru oraz azotu w reaktorach powoduje zwiększenie wydajności procesu syntezy amoniaku do około 30%. MetodęMetoda Habera i BoschaMetodę syntezy amoniaku opracował niemiecki fizykochemik, Fritz Haber, za co w 1918 r. otrzymał nagrodę Nobla. Współcześnie ocenia się, że nawozy azotowe, produkowane przy użyciu tej metody, są odpowiedzialne za produkcję żywności, która utrzymuje przy życiu ok. jedną trzecią ludzkości. Wytwarzanie amoniaku jest procesem bardzo energochłonnym – produkcja 1 t bezwodnego amoniaku pochłania 1000–1250 $m^{3}$ gazu ziemnego. Na wytwarzanie amoniaku zużywa się ok. 5% światowej produkcji gazu ziemnego i ok. 2% energii.

Reakcja analizy – kiedy z jednego substratu powstaje kilka produktów

Rozważmy hipotetyczną reakcję:

A_{(g)} ⇄ B_{(g)} + C_{(g)}

K_{p} = \frac{p [B] \cdot p [C]}{p [A]}

Wszystkie reagenty są w stanie gazowym przy stałym ciśnieniu i temperaturze. Bilansując (uzgadniając) równanie reakcji zauważymy, że liczba moli substratów jest różna od ilości moli produktów. Poprzez rozkład związku A otrzymuje się dwa mole produktów, co powoduje zwiększenie ilości reagentów. Zakłócenie stanu równowagi reakcji przez zmniejszenie ciśnienia powoduje przesunięcie równowagi w kierunku produktów. Zmiana ciśnienia w drugą stronę powoduje skutek odwrotny – przesunięcie równowagi w kierunku substratów.

Reakcja bez zmiany objętości

Rozważmy hipotetyczną reakcję:

A_{(g)} + B_{(g)} ⇄ C_{(g)} + D_{(g)}

K_{p} = \frac{pC \cdot pD}{pA \cdot pB}

Wszystkie reagenty są w stanie gazowym, przy stałym ciśnieniu i temperaturze. Bilansując równanie reakcji zauważymy, że liczba moli substratów jest równa liczbie moli produktów. W wyniku reakcji z dwóch moli substratów powstają dwa mole produktów. W związku z czym nie zmienia się objętość reagentów, a co za tym idzie – zmiana ciśnienia nie powoduje przesunięcia stanu równowagi.

Reakcje dwufazowe

Rozważmy hipotetyczną reakcję:

2 A_{(s)} ⇄ 2 C_{(g)} + D_{(g)}

Reagenty są w stanie stałym oraz gazowym. Po stronie produktów są trzy mole gazu (dwa mole C i jeden mol D). Zakłócenie stanu równowagi przez zwiększenie ciśnienia przesunie równowagę w stronę syntezy produktu. Z kolei zmniejszenie ciśnienia będzie miało skutek odwrotny – przesunięcie równowagi w stronę substratów.

Reakcje z inertnym indywiduum w formie gazowej

Wprowadzenie do układu reakcyjnego gazu inertnegoindywiuduum inertnegazu inertnego powoduje zmniejszenie stężenia reagentów w układzie. Z tego względu maleją również ciśnienia cząstkoweciśnienie cząstkoweciśnienia cząstkowe, a co za tym idzie – zmniejsza się ciśnienie ogólne w układzie. Dlatego dodanie gazu inertnego powoduje przesunięcie stanu równowagi tak samo, jak obniżenie ciśnienia ogólnego. Jest on zatem korzystny dla reakcji analizy, natomiast niekorzystny dla reakcji syntezy.

Słownik

reakcja odwracalna

reakcja chemiczna złożona z elementarnych procesów, które przebiegają jednocześnie w przeciwnych kierunkach: $A + B ⇄ C + D$ . Produkty reakcji przebiegającej z lewa na prawo są substratami reakcji biegnącej w kierunku przeciwnym i odwrotnie

ciśnienie cząstkowe

ciśnienie, jakie wywierałby na ścianki naczynia składnik mieszaniny gazów doskonałych, gdyby sam zajmował całą objętość tego naczynia

indywiuduum inertne

substancja, która nie reaguje z żadnym z reagentów w danych warunkach

Metoda Habera i Boscha

synteza amoniaku na skalę przemysłową w warunkach wysokiego ciśnienia oraz temperatury

stała równowagi K

odpowiada ilorazowi reakcji w stanie doskonałej równowagi, tj. w sytuacji, gdy szybkość reakcji, w stronę od substratów do produktów i od produktów do substratów, jest dokładnie taka sama

Bibliografia

Encyklopedia PWN

Chemia. Temat 14: Kinetyka chemiczna. Semestr 1, Wydzał Przyrodniczo - Techniczny KPSW http://chemia.wpt.kpswjg.pl/semestr1/temat14/ [dostęp 09.12.2012]

Roszkowski A., Technologie produkcji zwierzęcej a emisje gazów cieplarnianych, „Problemy Inżynierii Rolniczej” 2011, nr 2.

Wolfe D. W., Tales from the underground: a natural history of subterranean life, Cambridge, Massatschussets 2001.

Wprowadzenie

Film samouczek

Czym jest stała równowagi?

Jak ciśnienie wpływa na położenie stanu równowagi?

Reakcja syntezy – kiedy z kilku substratów powstaje jeden produkt

Reakcja analizy – kiedy z jednego substratu powstaje kilka produktów

Reakcja bez zmiany objętości

Reakcje dwufazowe

Reakcje z inertnym indywiduum w formie gazowej

Słownik

Bibliografia