Chemická rovnováha: konstanta chemické rovnováhy a způsoby jejího vyjádření

V roce 1885 francouzský fyzik a chemik Le Chatelier byl zahájen, a v roce 1887 německý fyzik Brown odůvodněno zákon chemické rovnováhy a chemické rovnováhy konstantní, a studoval jejich závislost na vlivu různých vnějších faktorů.

Podstata chemické rovnováhy

Rovnováha je dynamický stav, což znamená, že věci se vždy pohybují. Výrobky jsou rozloženy do reakčních činidel a činidla jsou spojena do produktů. Věci se pohybují, ale koncentrace zůstávají nezměněny. Reakce je zaznamenána dvojitou šipkou namísto stejného znaménka, která ukazuje, že je reverzibilní.

Klasické vzory

Dokonce v minulém století chemici objevili určité vzorce, které předpokládají pravděpodobnost změny směru reakce ve stejné nádobě. Znalosti o tom, jak se objevují chemické reakce, jsou neuvěřitelně důležité jak pro laboratorní výzkum, tak pro průmyslovou výrobu. Současně je velmi důležité kontrolovat všechny tyto jevy. Je běžné, že osoba zasahuje do mnoha přírodních procesů, zejména reverzibilních, aby je využívala ve svůj prospěch. Znalosti chemických reakcí budou užitečnější, pokud dokonale zvládnete páky řízení.

Zákon působících mas v chemii používá chemici k správnému výpočtu rychlosti reakce. Dává jasnou představu, že žádná chemický proces Nebude dokončeno, pokud projde uzavřeným systémem. Molekuly vytvořených látek jsou v konstantním a nepravidelném pohybu a brzy se může objevit obrácená reakce, při které budou obnoveny molekuly výchozího materiálu.

V průmyslu se nejčastěji používají otevřené systémy. Plavidla, přístroje a další kontejnery, kde procházejí chemické reakce, zůstanou odemčené. To je nezbytné, aby během těchto procesů bylo možné extrahovat požadovaný produkt a zbavit se zbytečných reakčních produktů. Například uhlí se spaluje v otevřených pecích, cement se vyrábí v otevřených pecích, vysoké pece fungují s konstantním přívodem vzduchu a amoniak se syntetizuje s kontinuálním odstraňováním samotného amoniaku.

Reverzibilní a nevratné chemické reakce

Na základě jména lze uvést příslušné definice: nevratné reakce se považují za uskutečněné až do konce, aniž by se změnilo jejich směr a postupovalo se po dané trajektorii bez ohledu na poklesy tlaku a kolísání teploty. Jejich charakteristickou vlastností je, že některé produkty mohou opustit sféru reakce. Tak je například možné získat plyn (CaCO₃ = CaO + CO_2), sraženina (Cu (NO₃).₂ + H₂S = CuS + 2HNO₃) nebo jiným připojení. Reakce bude také považováno za nevratné, pokud se během procesu uvolní velké množství tepelné energie, například: 4P + 5O₂ = 2P₂O₅ + Q.

Prakticky všechny reakce, které se vyskytují v přírodě, jsou reverzibilní. Nezávisle na takových vnějších podmínkách jako je tlak a teplota, prakticky všechny procesy mohou probíhat současně v různých směrech. Jak říká zákon hromadného působení v chemii, množství absorbovaného tepla se bude rovnat množství absorbovaného tepla, což znamená, že pokud jedna reakce byla exotermní, pak druhá (inverzní) je endotermická.

Chemická rovnováha: konstanta chemické rovnováhy

Reakce jsou "slovesy" chemie - aktivita, kterou se chemici učí. Mnoho reakcí proběhne až do jejich dokončení, a pak se zastaví, což znamená, že činidla jsou zcela převedena na produkty, nemohou se vrátit do původního stavu. V některých případech je reakce skutečně nevratná, například při změnách spalování fyzikální i chemické vlastnosti hmoty. Existuje však mnoho dalších okolností, při kterých je zpětná reakce nejen možná, ale i kontinuální, protože produkty první reakce se stávají činidly v druhém.

Dynamický stav, ve kterém koncentrace reagencií a produktů zůstávají konstantní, se nazývá rovnováha. Je možné předvídat chování látek prostřednictvím určitých zákonů, které se používají v průmyslových odvětvích, které usilují o snížení nákladů na výrobu specifických chemických látek. Abychom porozuměli procesům, které udržují nebo potenciálně ohrožují zdraví lidí, je také užitečné pojetí chemické rovnováhy. Konstanta chemické rovnováhy je hodnota reakčního faktoru, která závisí na iontové síle a teplotě a nezávisí na koncentracích činidel a produktů v roztoku.

Výpočet rovnovážné konstanty

Tato hodnota je bezrozměrná, tj. Nemá určitý počet jednotek. Přestože je výpočet obvykle zaznamenán pro dvě činidla a dva produkty, pracuje pro libovolný počet účastníků reakce. Výpočet a interpretace rovnovážné konstanty závisí na tom, zda chemická reakce souvisí s homogenní nebo heterogenní rovnováhou. To znamená, že všechny reaktivní složky mohou být čisté kapaliny nebo plyny. Pro reakce, které dosahují heterogenní rovnováhy, obvykle není jedna fáze, ale nejméně dvě. Například kapaliny a plyny nebo pevných látek a kapaliny.

Hodnota rovnovážné konstanty

Pro jakoukoli danou teplotu existuje pouze jedna hodnota pro rovnovážnou konstantu, která se liší pouze tehdy, když se teplota, v níž se reakce objeví, mění v jednom směru nebo jiném. Můžete předpovědět nějakou chemickou reakci na základě toho, zda je rovnovážná konstanta velká nebo malá. Je-li hodnota velice velká, potom rovnováha upřednostňuje reakci vpravo a získávají se víc produktů než reagencie. Reakce v tomto případě lze nazvat "kompletní" nebo "kvantitativní".

Je-li hodnota rovnovážné konstanty malá, favorizuje reakci vlevo, kde bylo množství reakčních činidel větší než vytvořené produkty. Pokud tato hodnota má tendenci k nule, můžeme předpokládat, že reakce nenastane. Pokud jsou hodnoty rovnovážné konstanty pro dopředné a zpětné reakce téměř stejné, počet činidel a výrobků bude téměř stejný. Tento typ reakce je považován za reverzibilní.

Zvažte specifickou reverzibilní reakci

Vezměte dva chemické prvky, jód a vodík, které při smíchání dávají novou látku - vodík jodu.

H₂+I₂ = 2HI

Pro v₁ vezmeme míru přímé reakce, pro v₂ - rychlost zpětné reakce a k je rovnovážná konstanta. Použitím zákona hromadné akce získáváme tento výraz:

v₁ = k₁ * c (H₂) * c (I₂),

v₂ = k₂ * c²(HI).

Při míchání molekul jódu (I.₂) a vodíku (H.₂) začíná jejich vzájemné působení. V počátečním stádiu je koncentrace těchto prvků maximální, ale na konec reakce bude maximální koncentrace nové sloučeniny - jodid vodíku (HI). Proto budou reakční rychlosti odlišné. Na začátku budou maximální. Časem přichází čas, kdy jsou tyto hodnoty stejné, je to stav nazvaný chemická rovnováha.

Výraz pro konstantu chemické rovnováhy je obvykle označen hranatými závorkami: [H₂], [I₂], [HI]. Vzhledem k tomu, že v rovnovážném stavu jsou rychlosti rovny, pak:

k₁[H₂] [I₂] = k₂[HI]²,

tak získáme rovnici konstanty chemické rovnováhy:

k₁/ k₂ = [HI]²/ [H₂] [I₂] = K.

Princip Le Chatelier-Brown

K dispozici je následující pravidlo: v případě, že systém, který je v rovnováze, k výrobě určitého efekt (změna chemických podmínek rovnováhy změnou teploty nebo tlaku, například), bude rovnováha posune na částečně působit proti účinku změn. Vedle chemie je tento princip použitelný i v několika různých formách v oblasti farmakologie a ekonomie.

Konstanta chemické rovnováhy a způsoby jejího vyjádření

Rovnovážná exprese může být vyjádřena jako koncentrace produktů a činidel. Pouze chemické látky ve vodné a plynné fázi jsou zahrnuty do rovnovážného vzorce, protože koncentrace kapalin a pevných látek se nemění. Jaké faktory ovlivňují chemickou rovnováhu? Pokud se jedná o čistou kapalinu nebo pevnou látku, má se za to, že má K = 1, a proto přestává být bráno v úvahu s výjimkou vysoce koncentrovaných roztoků. Například čistá voda má aktivitu 1.

Dalším příkladem je pevný uhlík, který může být tvořen reakcí dvou molekul oxidu uhelnatého za vzniku oxidu uhličitého a uhlíku. Faktory, které mohou ovlivnit rovnováhu, zahrnují přidání činidla nebo produktu (změna koncentrace ovlivňuje váhu). Přidání činidla může vést k rovnováze vpravo v chemické rovnici, kde se objeví více forem produktu. Přidání produktu může vést k rovnováze vlevo, protože více forem činidel se stává více.

Rovnováha nastává, když reakce v obou směrech má konstantní poměr produktů a činidel. Obecně je chemická rovnováha statická, protože kvantitativní poměr produktů a činidel je konstantní. Bližší pohled však ukazuje, že rovnováha je ve skutečnosti velmi dynamický proces, protože reakce se pohybuje v obou směrech stejným tempem.

Dynamická rovnováha je příkladem funkce stabilního stavu. Pro systém ve stabilním stavu se chování, které je v současné době pozorováno, bude i nadále pokračovat. Jakmile reakce dosáhne rovnováhy, poměr koncentrací produktu a činidla zůstává stejný, ačkoliv reakce pokračuje.

Jak snadné je říct o komplexu?

Takové pojmy jako chemická rovnováha a konstanta chemické rovnováhy jsou poměrně složité pro pochopení. Vezměme si příklad ze života. Byl jste někdy přilepený na mostě mezi dvěma městy a věnoval jste pozornost skutečnosti, že doprava v opačném směru je hladká a měřená, zatímco jste beznadějně uvízli v dopravní zácpě? To není dobré.

Co kdyby se stroje pohybovaly se stejnou rychlostí a rychlostí z obou stran? Počet aut v obou městech zůstal konstantní? Když je vstup a výstup rychlost v obou městech je stejný, ale počet automobilů v každém městě je dlouhodobě stabilní, což znamená, že celý proces je v dynamické rovnováze.