Cheminė pusiausvyra: cheminės pusiausvyros konstanta ir jos išraiškos būdai

1885 m. Buvo atšauktas prancūzų fizikas ir chemikas Le Chatelier, o 1887 m. Vokiečių fizikas Brownas pagrindė cheminės pusiausvyros ir cheminės pusiausvyros konstanciją ir taip pat studijavo jų priklausomybę nuo įvairių išorinių veiksnių įtakos.

Cheminės pusiausvyros esmė

Balansas yra dinamiška būsena, tai reiškia, kad daiktai visada judėti. Produktai yra suskaidomi į reagentus, o reagentai sujungiami į produktus. Viskas vyksta, tačiau koncentracijos lieka nepakitę. Reakcija užrašoma dvigubu rodyklu, o ne lygiaverčiu ženklu, rodančiu, kad jis yra grįžtamasis.

Klasikiniai modeliai

Net per pastarąjį šimtmetį chemikai atrado tam tikrus modelius, kurie numato tikimybę keisti reakcijos kryptį toje pačioje talpykloje. Žinios, kaip vyksta cheminės reakcijos, yra nepaprastai svarbios tiek laboratoriniams tyrimams, tiek ir pramonės produkcijai. Tuo pačiu metu labai svarbu kontroliuoti visus šiuos reiškinius. Paprastai žmogus gali kištis į daugelį natūralių procesų, ypač į grįžtamus, siekiant juos panaudoti savo naudai. Nuo cheminių reakcijų žinojimo bus naudingiau, jei puikiai valdysite jų valdymo svertus.

Chemijos veikiančių masių įstatymą chemikai naudoja teisingai apskaičiuoti reakcijos greitį. Jis aiškiai supranta, kad jokio cheminio proceso nebus baigtas, jei jis pereis per uždarą sistemą. Sukurtų medžiagų molekulės yra pastovaus ir nepastovaus judesio, gali greitai atsirasti atvirkštinė reakcija, kurios metu bus atkurtos pradinės medžiagos molekulės.

Pramonėje dažniausiai naudojamos atviros sistemos. Laivai, aparatai ir kitos talpyklos, kuriose praeina cheminės reakcijos, lieka atrakinta. Tai būtina, kad per šiuos procesus būtų galima išgauti norimą produktą ir atsikratyti nereikalingų reakcijos produktų. Pavyzdžiui, anglys deginamos atvirose krosnyse, cementas yra gaminamas atvirose krosnyse, aukštakrosnėse veikia nuolatinis oro tiekimas, sintezuojamas amoniakas, nuolat pašalinant amoniaką.

Grįžtamos ir negrįžtamos cheminės reakcijos

Remiantis pavadinimu, galima pateikti tinkamus apibrėžimus: laikoma, kad negrįžtamos reakcijos yra atliekamos iki galo, o ne keičia jų kryptį ir tęsiasi palei tam tikrą trajektoriją, nepriklausomai nuo slėgio kritimo ir temperatūros svyravimų. Jų skiriamasis bruožas yra tas, kad kai kurie produktai gali palikti reakcijos sritį. Taigi, pavyzdžiui, galima gauti dujas (CaCO3 = CaO + CO _2), nuosėdas (Cu (NO3) ₂ + H2S = CuS + 2HNO3) arba kitus junginius. Reakcija taip pat bus laikoma negrįžtama, jei proceso metu išleidžiama daug šiluminės energijos, pavyzdžiui: 4P + 5O ₂ = 2P ₂ O ₅ + Q.

Beveik visos gamtoje atsirandančios reakcijos yra grįžtamos. Nepaisant tokių išorinių sąlygų, kaip spaudimas ir temperatūra, praktiškai visi procesai gali vykti vienu metu skirtingomis kryptimis. Kaip teigia veikiančių masiškų chemijos įstatymai, absorbuotosios šilumos kiekis lygus ekstrahuotai sumai, o tai reiškia, kad jei viena reakcija buvo egzoterminė, tada antroji (atvirkštinė) būtų endoterminė.

Cheminė pusiausvyra: cheminės pusiausvyros konstanta

Reakcijos yra chemijos "veiksmažodžiai" - veikla, kurią chemikai mokosi. Daugybė reakcijų praeina iki jų pabaigos, o tada sustoja, o tai reiškia, kad reagentai yra visiškai paverčiami produktais, negalintys grįžti į pradinę būseną. Kai kuriais atvejais reakcija iš tiesų yra negrįžtama, pavyzdžiui, kai degimas keičia tiek fizines, tiek chemines medžiagos savybes. Tačiau yra daugybė kitų aplinkybių, kai atvirkštinė reakcija yra ne tik įmanoma, bet ir tęsiasi, nes pirmosios reakcijos produktai tampa reagentais antroje.

Dinaminė būsena, kurioje reagentų ir produktų koncentracija išlieka pastovi, vadinama pusiausvyra. Galima numatyti medžiagų elgseną taikant tam tikrus įstatymus, kurie taikomi pramonės šakose, skirtose sumažinti konkrečių cheminių medžiagų gamybos sąnaudas. Siekiant suprasti procesus, kurie saugo ar gali kelti grėsmę žmonių sveikatai, taip pat naudinga ir cheminės pusiausvyros samprata. Cheminės pusiausvyros konstanta yra reakcijos faktoriaus, kuris priklauso nuo jonų stiprumo ir temperatūros, vertė ir nepriklauso nuo tirpalų reagentų ir produktų koncentracijos.

Pusiausvyros konstantos apskaičiavimas

Ši vertė yra be matmenų, t. Y. Neturi tam tikro vienetų skaičiaus. Nors skaičiavimas paprastai registruojamas dviem reagentams ir dviems produktams, jis veikia bet kokiam reakcijos dalyvių skaičiui. Pusiausvyros konstanta apskaičiuoti ir interpretuoti priklauso nuo to, ar cheminė reakcija yra susijusi su homogenine ar heterogenine pusiausvyra. Tai reiškia, kad visi reaktyvūs komponentai gali būti gryni skysčiai ar dujos. Dėl reakcijų, kurios pasiekia nevienalytę pusiausvyrą, paprastai nėra vienos fazės, bet mažiausiai dvi. Pvz., Skysčiai ir dujos arba kietosios medžiagos ir skysčiai.

Pusiausvyros konstanta

Esant bet kuriai temperatūrai, vienos vertės pusiausvyros konstantai yra vienintelė vertė, kuri pasikeičia tik tada, kai temperatūra, kuria vyksta reakcija, vienoje ar kitoje kryptimi skiriasi. Galite padaryti keletą prognozių apie cheminę reakciją, atsižvelgiant į tai, ar pusiausvyros konstanta yra didelė ar maža. Jei vertė yra labai didelė, tada pusiausvyra palaiko reakciją į dešinę ir gaunama daugiau produktų nei buvo reagentai. Tokiu atveju reakcija gali būti vadinama "išsami" arba "kiekybine".

Jei pusiausvyros konstanta yra maža, ji palaiko reakciją į kairę, kur reagentų kiekis buvo didesnis už susidariusius produktus. Jei ši vertė linkusi nuliui, galime manyti, kad reakcija neatsiranda. Jei pusiausvyros konstanta vertei priekinės ir atvirkštinės reakcijos yra beveik vienoda, reagentų ir produktų skaičius taip pat bus beveik vienodas. Toks reakcijos tipas laikomas grįžtamu.

Pažvelkime į konkrečią grįžtamą reakciją

Paimkime du cheminius elementus, tokius kaip jodas ir vandenilis, kuris, sumaišius, duos naują medžiagą - jodo vandenilį.

H ₂ + I ₂ = 2HI

V _{1 atveju} mes vartojame tiesioginės reakcijos greitį, kai v ₂ - atvirkštinės reakcijos greitis, k - pusiausvyros konstanta. Naudodamiesi masinio veiksmo teise mes gauname tokią išraišką:

V ₁ = k ₁ * c (H ₂ ) * c (I ₂ ),

V2 = k2 * c2 (HI).

Sumaišant jodo (I ₂ ) ir vandenilio (H ₂ ) molekules, jų sąveika prasideda. Pradiniame etape šių elementų koncentracija yra didžiausia, tačiau iki reakcijos pabaigos didžiausia naujojo junginio koncentracija - vandenilio jodidas (HI). Atitinkamai reakcijos greitis bus skirtingas. Iš pradžių jie bus maksimalūs. Laikui bėgant ateina laikas, kai šios vertės yra vienodos, tai yra būklė, vadinama cheminiu pusiausvyra.

Cheminės pusiausvyros konstancijos raiška paprastai žymima kvadratinėliais: [H ₂ ], [I ₂ ], [HI]. Kadangi pusiausvyros būsenoje greitis yra lygus, tada:

K ₁ [H ₂ ] [I ₂ ] = k ₂ [H ₁ ] ² ,

Taigi mes gauname cheminės pusiausvyros konstanta lygtį:

K ₁ / k ₂ = [HI] ² / [H ₂ ] [I ₂ ] = K.

Le Chatelier-Brown principas

Yra tokia taisyklingumas: jei pusiausvyros sistema turi tam tikrą poveikį (pavyzdžiui, keiskite cheminės pusiausvyros sąlygas, pvz., Pakeisdami temperatūrą ar slėgį), pusiausvyra pereis, kad iš dalies neutralizuotų pakeitimo poveikį. Be chemijos, šis principas taip pat taikomas keliomis skirtingomis formomis farmakologijos ir ekonomikos srityse.

Cheminės pusiausvyros konstanta ir jo išraiškos būdai

Balansinė išraiška gali būti išreikšta produktų ir reagentų koncentracija. Pusiausvyros formulėje yra įtraukiamos tik vandenyje ir dujose esančios cheminės medžiagos, nes skysčių ir kietųjų medžiagų koncentracijos nesikeičia. Kokie veiksniai veikia cheminę pusiausvyrą? Jei jame dalyvauja grynas skystis arba kieta medžiaga, laikoma, kad jis turi K = 1 ir todėl nebeatsižvelgiama, išskyrus labai koncentruotus tirpalus. Pavyzdžiui, grynas vanduo turi 1 aktyvumą.

Kitas pavyzdys yra tvirtas anglies junginys, kuris gali susidaryti dviem anglies monoksido molekulių reakcijoms, siekiant susidaryti anglies dioksidą ir anglį. Veiksniai, galintys paveikti pusiausvyrą, apima ir reagento ar produkto (koncentracijos pokytis turi įtakos balansui). Reagento pridedant cheminę lygtį, gali atsirasti pusiausvyra dešinėje, kurioje atsiranda daugiau produktų. Produkto pridėjimas gali paskatinti pusiausvyrą kairėje, nes tampa daugiau reagentų formų.

Balansas atsiranda, kai reakcija abiejose kryptyse turi pastovų produktų ir reagentų santykį. Apskritai cheminė pusiausvyra yra statinė, nes produktų ir reagentų kiekybinis santykis yra pastovus. Tačiau artimesnis žvilgsnis rodo, kad pusiausvyra iš tiesų yra labai dinamiškas procesas, nes reakcija abiejose kryptyse vyksta vienodu tempu.

Dinaminė pusiausvyra yra stabilios būsenos funkcijos pavyzdys. Kad sistema būtų stabilioje būsenoje, šiuo metu vykstantis elgesys tęsiasi ir ateityje. Todėl, kai reakcija pasiekia pusiausvyrą, produkto ir reagento koncentracijos santykis išlieka tas pats, nors reakcija tęsiasi.

Kaip lengva pasakyti apie kompleksą?

Tokios sąvokos kaip cheminė pusiausvyra ir cheminės pusiausvyros konstanta yra gana sudėtingos suprasti. Pabėkime pavyzdį iš gyvenimo. Ar kada nors esate užsikimšęs tiltu tarp dviejų miestų ir atkreipė dėmesį į tai, kad eismas kitoje kryptyje yra lygus ir išmatuotas, kai esate beviltiškai įstrigęs per kamienas? Tai nėra gerai.

Ką daryti, jei mašinos sklandžiai ir greičiu judėtų iš abiejų pusių? Ar abiejuose miestuose automobilių skaičius išliktų pastovus? Kai greitis įvažiavimo ir išvykimo į abu miestus yra tas pats, o automobilių skaičius kiekviename mieste yra stabilus laikui bėgant, tai reiškia, kad visas procesas yra dinamiška pusiausvyra.