Reakcje nieodwracalne

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.

HCl+KOHKCl+H2O

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.

bg‑red

Reakcje odwracalne

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.

3 H2+N22 NH3
RbsXwhxSpuzKf
Schemat reakcji odwracalnej
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Ciekawostka

Czy wiesz, w jaki sposób Napoleon Bonaparte przyczynił się do odkrycia odwracalności reakcji chemicznych? W 1798 r. zwerbował do udziału w swojej kampanii wybitnego francuskiego chemika, Claude'a Louisa Bertholleta. Badacz, obserwując egipskie jeziora, zauważył osadzający się węglan sodu na jego brzegach. Opierając obserwacje o swoją wiedzę, zdał sobie sprawę, że węglan sodu musi powstawać właśnie w wyniku reakcji odwracalnej otrzymywania węglanu wapnia.

Na2CO3+CaCl2CaCO3+2 NaCl

Przykłady reakcji odwracalnych:

3 O2(g)  2 O3(g)
N2(g) + 3 H2(g)  2 NH3(g)
4 NH3(g) + 7 O2(g)  4 NO2(g) + 6 H2O(g)
2 SO2(g) + O2(g)  2 SO3(g)
C4H8(g)  2 C2H4(g)
2 C4H10(g) + 13 O2(g)  8 CO2(g) + 10 H2O(g)
2 NO2(g)  N2O4(g)
CO(g) + H2O(g)  CO2(g) + H2(g)
2 NO(g) + Cl2(g)  2 NOCl(g)
C2H6(g)  C2H4(g) + H2(g)
C2H2(aq) + Br2(aq)  C2H2Br4(aq)

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.

Br2(l)Br2(g)
RUMIDw46ebWh3
Zdjęcie przedstawia szklaną rurkę, jest zasklepiona. Znajduje się w niej czerwonobrązowa ciecz.
To zasklepiona, szczelna rurka, która zawiera równowagową mieszaninę ciekłego i gazowego bromu.
Źródło: dostępny w internecie: livescience.com, licencja: CC BY-SA 4.0.
bg‑red

Równowaga chemiczna

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

3 H2+N22 NH3

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.

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.

3 H2 + N2  2 NH3

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

K=[NH3]2[H2]3· [N2]
Polecenie 1

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

Doświadczenie nr 1

Schemat:

R1Tuq8d0Foktq
Schemat doświadczenia nr 1
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
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.
Polecenie 2

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

Doświadczenie nr 2

Schemat:

R1HDIMi8KH05u
Schemat doświadczenia nr 2
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.
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).
Polecenie 3

Czy w życiu codziennym lub w produkcji na skalę przemysłową  mamy styczność z przykładami reakcji odwracalnych i nieodwracalnych? Przeanalizuj grafikę interaktywną, a następnie wykonaj ćwiczenia.

Czy w życiu codziennym lub w produkcji na skalę przemysłową  mamy styczność z przykładami reakcji odwracalnych i nieodwracalnych? Przeanalizuj opisy grafiki interaktywnej, a następnie wykonaj ćwiczenia.

R3t1AdbflMw8D
Reakcje odwracalne i nieodwracalne. Reakcje odwracalne – jednocześnie następuje wytwarzanie cząsteczek produktów oraz odtwarzanie cząsteczek substratów. Zapis sugeruje odwracalność reakcji chemicznej: A dodać B dwie strzałki skierowane w przeciwnych kierunkach A B. Reakcja nieodwracalna – cząsteczki substratów ulegają przekształceniu w produkty. Ponowne przekształcenie produktów w substraty jest niemożliwe. Zapis sugeruje nieodwracalność reakcji chemicznej: A dodać B strzałka w prawo A B. Przykłady reakcji odwracalnych. 1. Ładowanie i rozładowywanie akumulatorów. Ładowanie i rozładowywanie akumulatorów samochodowych, baterii jest procesem odwracalnym. Przedstawiono schemat działania akumulatora kwasowo‑ołowiowego podczas jego ładowania i rozładowywania. Na schemacie zobrazowano ładowanie akumulatora i rozładowywanie. Ładowanie: w elektrolicie - rozcieńczonym kwasie siarkowym - zanurzone są dwie prostokątne płytki. Na elektrodach w trakcie poboru prądu wydziela się siarczek ołowiu dwa. Pomiędzy płytkami umieszczono strzałki skierowane w stronę elektrolitu z napisem: rozkład. Od płytki po lewej stronie, czyli od katody, prowadzi strzałka do anody z rzymską jedynką. Drugi schemat dotyczy rozładowywania: w elektrolicie – rozcieńczonym kwasie siarkowym jest zanurzona katoda wykonana z tlenku ołowiu oraz anoda wykonana z ołowiu. W stronę katody jest skierowana strzałka z napisem H 3 O plus, w stronę anody – S O 4 dwa minus. Od anody do katody biegnie strzałka z rzymską cyfrą jeden, natomiast nad źródłem prądu jest strzałka skierowana od katody do anody. Pod ilustracją jest równanie reakcji: Pe be es o cztery dodać dwa ha trzy o plus dodać es o indeks dolny cztery indeks górny dwa minus dodać pe be es o cztery dodać sześć ha dwa o strzałki w dwie strony pe be o dwa dodać sześć ha trzy o plus dodać trzy es o indeks dolny cztery indeks górny dwa minus dodać pe be. Podczas poboru prądu z akumulatora, na katodzie i anodzie zachodzą reakcje chemiczne. Anoda – utlenianie: pe be na zerowym stopniu utlenienia dodać es o indeks dolny cztery indeks górny dwa minus strzałki w dwie strony pe be na drugim stopniu utlenienia es o cztery dodać dwa e minus. Katoda – redukcja: pe be na czwartym stopniu utlenienia o dwa dodać es o indeks dolny cztery indeks górny dwa minus dodać cztery ha plus dodać dwa e minus strzałki w dwie strony pe be na drugim stopniu utlenienia es o cztery dodać dwa ha dwa o. Podczas poboru energii na obu elektrodach wydziela się siarczan sześć ołowiu dwa. W trakcie ładowania akumulatora kwasowo‑ołowiowego przebiegają dokładnie takie same reakcje chemiczne, tylko w przeciwnym kierunku. 2. Produkcja amoniaku metodą Habera‑Bocha Produkcja amoniaku metodą Habera‑Bocha jest kolejnym przykładem reakcji odwracalnej. Reakcja polega na bezpośredniej syntezie amoniaku z azotu i wodoru. Przebiega zgodnie z reakcją chemiczną: en dwa w stanie gazowym dodać 3 ha dwa w stanie gazowym strzałki w dwie strony dwa en ha trzy w stanie gazowym. Nowoczesne zakłady zajmujące się syntezą amoniaku, produkują go ponad 3000 ton dziennie na jednej linii produkcyjnej. Schemat przedstawia system otrzymywania amoniaku metodą Habera–Boscha: Proces przebiega w trzech etapach: pierwszy etap - azot i wodór trafiają do sprężarki, gdzie osiągają ciśnienie kilkuset atmosfer, etap drugi - gazy reagują w konwertorze zawierającym katalizator (metaliczne żelazo z dodatkiem promotorów), etap trzeci - gazy wypływające z konwertora są oziębiane do temperatury minus 50 stopni Celsjusza. Celem operacji jest wykroplenie amoniaku z poreakcyjnej mieszaniny gazów – nieprzereagowany azot i wodór pozostają w tych warunkach w fazie gazowej. 3. Rozpuszczanie tlenku węgla cztery w wodzie. Rozpuszczanie tlenku węgla cztery w wodzie jest również procesem odwracalnym i przebiega zgodnie z poniższym równaniem reakcji chemicznej. Reakcja chemiczna zależy od ciśnienia C O 2 w otoczeniu. Na przykład w gazowanych napojach kolorowych, wtryskiwany jest C O 2 pod wysokim ciśnieniem, który wymusza równowagę reakcji w prawo, wytwarzając dużo kwasu węglowego i rozpuszczając tlenek węgla cztery. Film przedstawia nalewanie piwa do kieliszka. Na górze tworzy się piana, która wylewa się z kieliszka. W momencie pozostawienia napoju gazowanego w szklance przez określony czas, ciśnienie dwutlenku węgla jest niskie, więc kwas węglowy rozkłada się z powrotem na tlenek węgla cztery i wodę, z czego C O 2 dostaje się do atmosfery. Jest to również przyczyną zakwaszenia oceanów, ponieważ wraz ze wzrostem globalnego poziomu C O 2, wzrasta ilość tlenku węgla cztery rozpuszczającego się w oceanie. Powoduje to powstawanie większej ilości kwasu węglowego, co obniża pH wody oceanicznej. Przykłady reakcji nieodwracalnych. 1. Denaturacja białka. Denaturacja białka jest procesem nieodwracalnym polegającym na niszczeniu przestrzennej struktury białka pod wpływem takich warunków jak: wysoka temperatura, sole metali ciężkich, stężone kwasy, wysokie ciśnienie, promieniowanie ultrafioletowe. Pod wpływem tych czynników następuje rozerwanie wiązań wodorowych, jonowych i mostków disiarczkowych, czyli zostają zniszczone wiązania stabilizujące strukturę łańcuchów polipeptydowych. Zdjęcie ukazuje jajko sadzone, obok którego w podstawkach stoją dwa jajka na miękko. Jajka mają przyklejone oczy i namalowane buzie. Jedno jajko ma domalowane łzy, drugie ma zdziwioną minę. Doklejono jajkom włosy. 2. Spalanie drewna. Film przedstawia płonące kawałki drewna. Proces spalania drewna powoduje nieodwracalną zmianę jego zawartości - wilgoć odparowuje, a palne części materiału wypalają się i nie pozostają, ani nie wracają do stanu pierwotnego. Schłodzenie lub dodanie utraconej ilości wilgoci nie przekształci węgla drzewnego z powrotem w naturalne drewno. Równanie reakcji: ce dodać o dwa strzałka do góry strzałka w prawo ce o dwa strzałka w górę dodać energia. 3. Pieczenie ciasta, ciasteczek. Film przedstawia ciasteczka pieczone na blasze. Początkowo ciastka są uformowane w kostki. W trakcie pieczenia - pod wpływem temperatury – zaczynają się spłaszczać i puchną. Składniki ciasta - takie jak jajka i mąka stanowią reagenty. Są one mieszane ze sobą i pieczone, aby utworzyć ciasto, które jest produktem reakcji chemicznej. Ciasta nie można „upiec” ani „zmieszać”, aby zmienić je z powrotem w surowe jajka, mąkę i inne składniki, dlatego pieczenie ciasta jest reakcją nieodwracalną. Rozkład proszku do pieczenia pod wpływem temperatury. Równanie reakcji: 2 en a ha ce o trzy dodać ha trzy o plus strzałka w prawo, nad strzałką napis temperatura, en a plus dodać ha dwa o dodać ce o dwa strzałka w górę. 4. Korozja materiału. Na zdjęciu znajduje się samochód, który ma skorodowaną karoserię. Auto nie ma kół. Stoi na łące. Korozja to nieodwracalna reakcja międzyfazowa materiału (metalu, ceramiki, polimeru) z otoczeniem, która powoduje zużycie materiału lub rozpuszczenie w materiale elementu środowiska. Często, ale niekoniecznie, korozja powoduje skutki szkodliwe dla użytkowania rozważanego materiału. Na przykład korozja żelaza w roztworach kwasów beztlenowych wynika z dwóch oddzielnych reakcji. Reakcja pierwsza: ef e strzałka w prawo ef e indeks górny dwa plus dodać dwa e indeks górny minus. Reakcja druga: dwa ha indeks górny plus dodać dwa e indeks górny minus strzałka w prawo ha dwa. 5. Przygotowywanie cementu. Zdjęcie przedstawia wiadro z zaprawą murarską. Jest szara, ma bardzo gęstą konsystencję. Do zaprawy włożono kielnię murarską. Uwodnienie cementu to seria nieodwracalnych reakcji chemicznych między cementem a wodą. Podczas hydratacji pasta cementowo‑wodna zestala się i utwardza, „sklejając” kruszywo w jednolitą masę. Przedstawiono dwie najważniejsze reakcje chemiczne procesu wiązania cementu portlandzkiego. Reakcja pierwsza: sześć ce a o mnożone przez es i o dwa dodać dziewięć ha dwa o strzałka w prawo sześć ce a o mnożone przez es i o dwa mnożone przez dziewięć ha dwa o. Reakcja druga: trzy ce a o mnożone przez a el dwa o trzy dodać dwanaście ha dwa o strzałka w prawo trzy ce a o mnożone przez a el dwa o trzy mnożone przez dwanaście ha dwa o.
Grafika interaktywna pt. „Reakcje odwracalne i nieodwracalne”
Źródło: Materiał opracowany na podstawie informacji dostępnych pod adresem: https://youtu.be/br8lKynV1Hc, domena publiczna.
Ćwiczenie 1

Poniższe zdjęcie przedstawia przykład pewnej reakcji chemicznej. Odpowiedz na pytanie, czy jest to reakcja odwracalna, czy nieodwracalna? Zapisz równanie reakcji chemicznej.

Zapoznaj się z opisem zdjęcia przedstawiającego przykład pewnej reakcji chemicznej. Odpowiedz na pytanie, czy jest to reakcja odwracalna, czy nieodwracalna? Zapisz równanie reakcji chemicznej.

R1GFLNvs1AfEp
Grafika pt. „Pożar lasu”
Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.
R1ede7n8tilWk
(Uzupełnij).
R1QXz6hTefEu2
(Uzupełnij).
RDUVXW2ObJGHG
Ćwiczenie 2
Reakcje odwracalne Możliwe odpowiedzi: 1. Korozja materiału, 2. Rozpuszczanie tlenku węgla(IV) w wodzie, 3. Produkcja amoniaku metodą Habera‑Boscha, 4. Denaturacja białka Reakcje nieodwracalne Możliwe odpowiedzi: 1. Korozja materiału, 2. Rozpuszczanie tlenku węgla(IV) w wodzie, 3. Produkcja amoniaku metodą Habera‑Boscha, 4. Denaturacja białka
Ćwiczenie 3

Zapisz schemat reakcji chemicznej ładowania na anodzie akumulatora kwasowo‑ołowiowego.

RUnrERNMOUodg
(Uzupełnij).
R6SLlElAzn4RU
(Uzupełnij).
bg‑blue

Notatnik

R17TY7A3VUjRk
(Uzupełnij).
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
reakcja nieodwracalna
reakcja nieodwracalna

reakcja przebiegająca tylko w jednym kierunku

równanie stechiometryczne reakcji
równanie stechiometryczne reakcji

zapis przebiegu reakcji chemicznej, uwzględniający stechiometryczne ilości substratów i produktów reakcji (ilość odpowiednich pierwiastków po lewej stronie jest równa tej po prawej stronie)

układ zamknięty
układ zamknięty

układ, który nie wymienia z otoczeniem materii chemicznej, lecz może wymieniać z otoczeniem energię

układ otwarty
układ otwarty

układ reakcyjny, który może wymieniać z otoczeniem materię i energię

reakcja odwracalna
reakcja odwracalna

reakcja, która przebiega w obu kierunkach celem osiągnięcia stanu równowagi

równowaga chemiczna
równowaga chemiczna

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

stała równowagi chemicznej
stała równowagi chemicznej

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