Czym jest stała równowagi?

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

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.

W tej części rozważymy wpływ ciśnienia na położenie stanu równowagi.

Reakcja syntezy – kiedy z kilku substratów powstaje jeden produkt

Rozważmy hipotetyczną reakcję:

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 ${\mathrm{AB}}_3$ 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.

Ciekawostka

RHVnCNZ2Hr3P91

Na zdjęciu jest reaktor. Reaktor przypomina dwie długie, połączone ze sobą pierścieniem rury. Jest ustawiony pionowo.

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 ${\mathrm{m}}^3$ 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:

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:

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:

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.