Cheminė pusiausvyra

Mokymosi tikslai

Paaiškinti dinaminę pusiausvyrą tiesioginės ir atvirkštinės reakcijų greičiais.
Sudaryti ir apskaičiuoti $K_c$ išraišką pagal išlygintą lygtį.
Taikyti Le Šateljė principą koncentracijos, slėgio ir temperatūros pokyčiams.
Atskirti katalizatoriaus poveikį pusiausvyros pasiekimo laikui nuo pusiausvyros sudėties.

Sąvokos

Grįžtamoji reakcija, dinaminė pusiausvyra, pusiausvyros konstanta, pusiausviroji koncentracija, Le Šateljė principas, pusiausvyros poslinkis.

Uždaroje sistemoje grįžtamoji reakcija gali pasiekti dinaminę pusiausvyrą: tiesioginės ir atvirkštinės reakcijų greičiai tampa vienodi, todėl makroskopinės koncentracijos nebekinta.

Prisimink

Pusiausvyra nėra reakcijos sustojimas ir nereiškia vienodų koncentracijų. Abi kryptys tebevyksta, tik jų greičiai vienodi.

Reakcijai

$\ce{aA(aq) + bB(aq) <=> cC(aq) + dD(aq)}$

koncentracijų pusiausvyros konstanta:

$K_c=\frac{[\ce C]^c[\ce D]^d}{[\ce A]^a[\ce B]^b}.$

Grynųjų kietųjų medžiagų ir grynųjų skysčių koncentracijos į $K_c$ reiškinį neįtraukiamos. Pavyzdžiui:

$\ce{CaCO3(s) <=> CaO(s) + CO2(g)}$

turi $K_c=[\ce{CO2}]$ pagal koncentracijomis išreikštą modelį.

Ką sako $K_c$

Esant nurodytai temperatūrai, labai didelė $K_c$ vertė reiškia, kad pusiausvyroje vyrauja produktai, o labai maža – reagentai. Konstanta nepasako, kaip greitai pusiausvyra pasiekiama.

Išspręstas pavyzdys

Reakcijai $\ce{H2 + I2 <=> 2HI}$ pusiausvyroje $[\ce{H2}]=0{,}20$ , $[\ce{I2}]=0{,}20$ , $[\ce{HI}]=0{,}80\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$ :

$K_c=\frac{(0{,}80)^2}{0{,}20\cdot0{,}20}=16.$

Le Šateljė principas

Pusiausvyros sistemai sukėlus pokytį, ji slenka kryptimi, kuri šio pokyčio poveikį mažina.

Padidinus reagento koncentraciją, sistema paprastai slenka produktų kryptimi.
Pašalinant produktą, jo susidarymo kryptis tampa palankesnė.
Padidinus dujų slėgį mažinant tūrį, pusiausvyra slenka į pusę, kur mažiau dujinių dalelių molių.
Aukštesnė temperatūra skatina endoterminę kryptį; žemesnė – egzoterminę.

Tik temperatūra keičia konkrečios reakcijos pusiausvyros konstantą. Koncentracija ir slėgis keičia pusiausvyros sudėtį, bet ne $K_c$ , jei temperatūra ta pati.

Amoniako sintezė

$\ce{N2(g) + 3H2(g) <=> 2NH3(g)},\qquad \Delta H\lt 0.$

Aukštas slėgis palankus $\ce{NH3}$ susidarymui, nes produktų pusėje yra mažiau dujų molių. Žemesnė temperatūra termodinamiškai palanki egzoterminei krypčiai, tačiau pernelyg žemoje temperatūroje reakcija lėta. Pramonėje parenkamas kompromisas, naudojamas katalizatorius ir atskiriamas produktas.

Katalizatorius vienodai sumažina tiesioginės ir atvirkštinės reakcijų aktyvacijos energiją. Jis padeda greičiau pasiekti tą pačią pusiausvyros sudėtį, bet jos nepaslenka.

Duomenų interpretavimas ir reakcijos kvocientas

Vien koncentracijų lentelė dar neparodo, ar sistema jau yra pusiausvyroje. Esamu momentu iš koncentracijų sudarytas tokios pat formos santykis vadinamas reakcijos kvocientu $Q_c$ . Jis lyginamas su tos pačios reakcijos ir tos pačios temperatūros $K_c$ . Jei $Q_c\lt K_c$ , trūksta produktų ir vyrauja tiesioginė reakcija; jei $Q_c\gt K_c$ , sistema slenka reagentų kryptimi. Kai $Q_c=K_c$ , sudėtis atitinka pusiausvyrą.

Tarkime, reakcijai $\ce{H2 + I2 <=> 2HI}$ konkrečioje temperatūroje $K_c=16$ , o matavimo momentu $[\ce{H2}]=0{,}40$ , $[\ce{I2}]=0{,}40$ ir $[\ce{HI}]=0{,}20\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$ . Tuomet

$Q_c=\frac{(0{,}20)^2}{0{,}40\cdot0{,}40}=0{,}25.$

Kadangi $Q_c\lt K_c$ , po šio matavimo grynasis pokytis vyks HI susidarymo kryptimi. Tai nereiškia, kad atvirkštinė reakcija sustos: jos greitis didės kaupiantis HI. Vertinant realius duomenis svarbu nepainioti pradinės, matavimo momento ir pusiausvirosios koncentracijų, nurodyti temperatūrą bei visiems dydžiams taikyti suderintus vienetus.

Jei koncentracijos pateiktos su matavimo neapibrėžtimi, labai artimų $Q_c$ ir $K_c$ verčių nereikėtų dirbtinai aiškinti kaip patikimo poslinkio. Pirmiausia palyginamas galimas verčių intervalas, patikrinama matavimo priemonė ir pakartojamas bandymas. Tokia išvada geriau atspindi duomenų kokybę negu vien skaičiuotuvo parodytų skaitmenų palyginimas.

Pusiausvyros tyrimas

Spalvotai sistemai keičiant temperatūrą ar koncentraciją, reikia turėti kontrolinį mėginį, vienodus tūrius ir saugiai elgtis su reagentais. Spalvos intensyvumą vertinti patikimiau kolorimetru nei vien akimi. Iš spalvos pokyčio daroma išvada apie santykinį dalelių kiekio kitimą, o ne apie visišką vienos medžiagos išnykimą.

Dažnos klaidos

$K_c$ laipsniai rašomi pagal indeksus formulėse, ne pagal reakcijos koeficientus.
Į reiškinį įtraukiamos grynos kietosios medžiagos.
Katalizatorius laikomas priemone padidinti pusiausvyros išeigą.
Slėgio poveikis taikomas reakcijai, kur abiejose pusėse vienodas dujų molių skaičius arba dujų nėra.

Pasitikrink

Parašyk $K_c$ reiškinį reakcijai $\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}$ .
Kur slinks amoniako sintezės pusiausvyra sumažinus tūrį?
Paaiškink skirtumą tarp pusiausvyros padėties ir pusiausvyros pasiekimo greičio.

Kraunama pamokos praktika…

Oficialūs šaltiniai

SRC-BP-V1269 – Chemijos bendroji programa, IV gimnazijos klasė, cheminė pusiausvyra.
SRC-EMOKYKLA-CHEM – oficialus Bendrosios programos atvaizdavimas eMokykloje.
SRC-IR-2025 – III–IV gimnazijos klasių įgyvendinimo rekomendacijos; naudota pusiausvyros modeliams ir pramoniniam kontekstui.

Santrauka

Dinaminėje pusiausvyroje abi reakcijos kryptys vienodai greitos. $K_c$ apibūdina sudėtį konkrečioje temperatūroje, o Le Šateljė principas leidžia kokybiškai prognozuoti sistemos atsaką į sąlygų pokytį.

Cheminė pusiausvyra