Reakcje odwracalne i nieodwracalne

R1PaJxekxkwa2

Ilustracja przedstawiająca równowagę reakcji chemicznej. Po lewej stronie równania znajdują się substraty wielka litera A oraz wielka litera B, po prawej stronie produkty wielka litera C oraz wielka litera D. Pomiędzy substratami a produktami znajdują się dwie strzałki, pierwsza skierowana w  prawo i druga, pod pierwszą, skierowana w lewo, co stanowi o równowadze reakcji.

Reakcje chemiczne mogą być nieodwracalnereakcja nieodwracalnanieodwracalne lub odwracalnereakcja odwracalnaodwracalne. Najczęściej spotykanymi reakcjami są te drugie. To takie, które nie biegną do samego końca, lecz w trakcie ich przebiegu równolegle tworzone są produkty, a następnie, w wyniku reakcji odwrotnej, odtwarzane są substraty z powstałych produktów. Wówczas w równaniu reakcji stosuje się dwie przeciwnie skierowane strzałki.

W wyniku zmieszania wodoru i azotu w stosunku molowym $3:1$ zaczyna zachodzić reakcja przekształcania cząsteczek ${\text{H}}_2$ i ${\text{N}}_2$ w cząsteczki ${\text{NH}}_3$.

Reakcja ta początkowo przebiega bardzo szybko, ponieważ w układzie znajduje się bardzo duża liczba cząsteczek ${\text{H}}_2$ i ${\text{N}}_2$. W miarę jak tych cząsteczek ubywa (zmieniają się w cząsteczki ${\text{NH}}_3$), szybkość reakcji tworzenia amoniaku spada. Równocześnie w układzie zaczyna zachodzić reakcja rozpadu amoniaku do wodoru i azotu:

Reakcja ta początkowo przebiega bardzo wolno, ponieważ w układzie znajduje się mało cząsteczek amoniaku. Kiedy liczba cząsteczek amoniaku rośnie (reakcja ich tworzenia z cząsteczek wodoru i azotu początkowo jest znacznie szybsza niż reakcja ich rozpadu), zwiększa się szybkość ich rozpadu. To wszystko trwa do czasu zrównania szybkości obu procesów. Gdy szybkość reakcji tworzenia amoniaku i jego rozpadu zyskają takie same wartości, układ osiąga stan równowagi dynamicznej. Wówczas przestają być widoczne zmiany stężeń poszczególnych reagentów w układzie. Mimo że reakcje nadal przebiegają w obie strony, szybkość tworzenia i rozpadu każdego z reagentów jest taka sama – makroskopowo nie zauważamy zmiany liczby cząsteczek ${\text{H}}_2$ i ${\text{N}}_2$, ${\text{NH}}_3$ w układzie.

Czynnikami, które mogą wywoływać zmianę położenia stanu równowagi reakcji chemicznej, są temperatura, ciśnienie, objętość układu reakcyjnego oraz stężenie reagentów.

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 ${\text{NH}}_3$.

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

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

RMbur7BE0KJDp

Ilustracja przedstawiająca układ, który stanowi zamknięty za pomocą ruchomego tłoka reaktor wypełniony przez cząsteczki azotu, wodoru oraz amoniaku w stosunku trzy do dziewięciu do dwóch. Strzałka w prawo, nad nią zapis "sprężanie". Za strzałką reaktor, w którym tłok przesunięto tak, że nastąpiło zmniejszenie objętości reaktora (dociśnięto go). Zmiana objętości spowodowała przesunięcie równowagi na korzyść tworzenia produktu. W reaktorze po przesunięciu tłoka znajdują się cząsteczki azotu, wodoru oraz amoniaku w stosunku jeden do trzech do sześciu.

Ze stanem równowagi dynamicznej związane jest ważne prawo chemiczne. Jest to prawo działania mas, a treść jego brzmi następująco:

Aby lepiej zrozumieć to prawo, prześledźmy raz jeszcze reakcję syntezy amoniaku.

Jeśli zgodnie z równaniem reakcji chemicznej użyjemy do reakcji trzech moli cząsteczek wodoru oraz jednego mola cząsteczek azotu ($25°\text{C}$), to będzie ona przebiegać do momentu ustalenia równowagi.

Stała równowagi tej reakcji ($K$) opisana jest wzorem:

Dla powyższego przykładu w podanej temperaturze ($25°\text{C}$), przyjmie ona wartość $\mathrm{0,182}$. Jeśli natomiast do reakcji użyjemy sześć moli wodoru i dwa mole azotu, to reakcja będzie przebiegać do tego momentu, aż powyższy iloraz osiągnie tę samą wartość. Podobna sytuacja będzie mieć miejsce, gdy w naczyniu umieścimy $x$ moli amoniaku – wówczas będzie tak długo ulegał rozpadowi, aż wartość wyrażenia osiągnie tożsamą wartość $-\mathrm{0,182}$. Dowodzi to prawdziwości powyższego prawa.

Dla przykładu, stała równowagi tej samej reakcji, ale przebiegającej w temperaturze $25°\text{C}$, przyjmuje wartość $1,60·{10}^{-4}$.

Reakcjami chemicznymi są procesy, które przebiegają pomiędzy reagentami w różnych stanach skupienia, może to być stan ciekły (c), stan gazowy (g) oraz stan stały (s). W wyrażeniu na stałą równowagi reakcji, przebiegającej między gazami lub cieczami, nie uwzględnia się reagentów w stanie stałym i przyjmuję się, że wartość ich stężenia wynosi $1 \frac{\text{mol}}{{\text{dm}}^3}$. Dlatego ważne jest, aby przed napisaniem wyrażenia na stałą równowagi reakcji uwzględniać stany skupienia reagentów, które biorą udział w reakcji w równaniu stechiometrycznym reakcji.

Stała równowagi reakcji pozwala przewidzieć, czy w reakcji równowagowej mamy do czynienia z przewagą substratów, czy produktów. Mała wartość stałej równowagi świadczy o przewadze substratów, natomiast duża wartość stałej równowagi świadczy o przewadze produktów.

R1Xo5XlUkoHmi

Film opisujący prawo działania mas i obrazujący stałą równowagi reakcji.

Film opisujący prawo działania mas i obrazujący stałą równowagi reakcji.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1Xo5XlUkoHmi

Film opisujący prawo działania mas i obrazujący stałą równowagi reakcji.