Transcript Document

Fakultet kemijskog inženjerstva i tehnologije
Sveučilišta u Zagrebu
STEHIOMETRIJA II
KEMIJSKA RAVNOTEŽA I
dr. sc. Biserka Tkalčec
KEMIJSKA RAVNOTEŽA –kinetički pristup
Kemijska reakcija napreduje:
1) dok svi reaktanti ne izreagiraju do kraja
2) dok mjerodavni reaktant ne izreagira do kraja (η
ili djelomično (η mjerodavni reaktant < 100 %)
mjerodavni reaktant
= 100 %)
3) dok se ne uspostavi kemijska ravnoteža
Većina kemijskih reakcija su povratne, tj. produkti
ponovno reagiraju dajući reaktante:
reaktanti
produkti
produkti
reaktanti
NAPREDNA
POVRATNA
KEMIJSKA REAKCIJA
KEMIJSKA RAVNOTEŽA –kinetički pristup
reaktanti
produkti
produkti
reaktanti
NAPREDNA
KEMIJSKA REAKCIJA
POVRATNA
Obje reakcije definirane su brzinom
promjene koncentracije reaktanata, odnosno produkata,
dok se pojam “brzina reakcije” odnosi na općeniti pojam
napredovanja kemijske reakcije.
U
skladu
s
IUPAC-om:
KEMIJSKA RAVNOTEŽA –kinetički pristup
U trenutku kada se napredna i povratna reakcija
zbivaju jednakom brzinom, tj. kada se brzina
prirasta koncentracije produkata izjednači s
brzinom
prirasta
uspostavlja se:
koncentracije
reaktanata,
DINAMIČKA RAVNOTEŽA.
Koncentracije reaktanata i produkata se ne
mijenjaju i reaktanti i produkti se nalaze u:
KEMIJSKOJ RAVNOTEŽI.
(Koliko produkata nastane naprednom reakcijom, toliko ih nestane
povratnom reakcijom, tj.
koliko reaktanata se utroši naprednom
reakcijom, toliko ih ponovno nastaje povratnom reakcijom. Dakle, iako se
u sustavu, u jednakim vanjskim uvjetima, obje pretvorbe zbivaju
neprekidno, ukupna reakcija se naizgled, prema vani više ne zbiva.)
KEMIJSKA RAVNOTEŽA –kinetički pristup
Ovisnost brzine prirasta koncentracije tvari pri
kemijskim reakcijama o koncentraciji tvari:
ZAKON O DJELOVANJU MASA
(C. M. Guldberg i P. Waage)
''BRZINA PRIRASTA KONCENTRACIJE PRODUKTA PRI
KEMIJSKOJ REAKCIJI PROPORCIONALNA JE UMNOŠKU
KONCENTRACIJA TVARI KOJE REAGIRAJU'‘
(Brzina kemijske reakcije proporcionalna je aktivnim masama reagirajućih tvari. Pod aktivnom
masom podrazumijeva se koncentracija reaktanta koji određuje brzinu reakcije.)
KEMIJSKA RAVNOTEŽA –kinetički pristup
Ukupna reakcija :
nA+mB
pC+dD
(1)
Napredna :
v
= k [A]n [B]m
brzina nastajanja produkata (2)
Povratna :
v
= k [C]p [D]q
brzina nastajanja reaktanata (3)
U stanju kemijske ravnoteže:
v
=v
k [A]n [B]m = k [C]p [D]q
Uglata zagrada označava da je riječ o ravnotežnoj konentraciji tvari
(4)
(5)
[A]
KEMIJSKA RAVNOTEŽA –kinetički pristup
k  C D
K 

m
n
k  A B
p
q
(5)
Dakle, u ravnotežnom stanju je umnožak
koncentracija produkata kemijske reakcije, dignutih
na potenciju jednaku broju molekula pojedinog
produkta (prema kemijskoj jednadžbi (1)), podijeljen
s umnoškom koncentracija reaktanata, dignutih na
potenciju jednaku broju molekula pojedinog reaktanta
(prema kemijskoj jednadžbi (1)), jednak omjeru
umnoška konstanata napredne i povratne reakcije.
KEMIJSKA RAVNOTEŽA –kinetički pristup
Konstanta ravnoteže definirana jednadžbom (5) naziva se
koncentracijskom konstantom ravnoteže, Kc, jer je
definirana koncentracijama sudionika reakcije i njihovim
stehiometrijskim koeficijentima.
Konstanta ravnoteže neke reakcije ima približno stalnu vrijednost
koja ovisi o temperaturi, jer se promjenom temperature mijenja i brzina
napredne,
povratne reakcije. Jedinica konstante, Kc, ovisi o
 k odnosno

. = K= konstanta

  konst
ravnoteže
stehiometrijskim
koeficijentima
reaktanata
i produkata, tj. o brojevima
k
  T jedinki u jednadžbi kemijske reakcije.
k
 K c  f (T )
k
KEMIJSKA RAVNOTEŽA –kinetički pristup
Iz matematičkog promišljanja izraza (5) se vidi, kako brojčana
vrijednost konstante ravnoteže određuje položaj
ravnoteže. ŠTO JE VRIJEDNOST KONSTANTE RAVNOTEŽE NEKE
KEMIJSKE REAKCIJE U DATIM VANJSKIM UVJETIMA VEĆA, TO JE
RAVNOTEŽA VIŠE POMAKNUTA NA STRANU NASTAJANJA
PRODUKATA REAKCIJE I OBRATNO, ŠTO JE VRIJEDNOST
KONSTANTE RAVNOTEŽE NEKE KEMIJSKE REAKCIJE U DATIM
VANJSKIM UVJETIMA MANJA, TO JE RAVNOTEŽA VIŠE POMAKNUTA
NA STRANU NASTAJANJA REAKTANATA.
Promijene li se vanjski uvjeti sustava koji se nalazi u stanju ravnoteže (npr.,
koncentracija, tlak, dovođenje ili odvođenje topline sustavu itd.), ravnoteža
kemijske reakcije može se pomaknuti u smijeru napredne ili povratne
reakcije, u skladu s Le Chatelierovim principom koji se temelji na principu
akcije i reakcije.
KEMIJSKA RAVNOTEŽA–kinetički pristup
Le Chatelier-ov princip:
Promijene li se vanjski uvjeti sustava koji se
nalazi u ravnoteži, ravnoteža se pomiče u
onom smjeru koji pogoduje uspostavljanju
prvobitnih uvjeta.
Konstante ravnoteže se iskazuju pomoću različitih fizikalnih veličina:
Kc ...
Koncentracijska konstanta ravnoteže (koncentracija tvari izražena
količinskom koncentracijom tvari)
Kp …
Tlačna konstanta ravnoteže (….parcijalnim tlakovima plinova)
Kx … Količinska konstanta ravnoteže (….količinskim udjelima tvari)
KEMIJSKA RAVNOTEŽA–plinovite smjese
Primjer (leacht.swf): I2
2I
http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/essentialchemistry/flash/lechv17.swf
KEMIJSKA RAVNOTEŽA–plinovite smjese
Primjer: a) Nastajanje i b) raspad jodovodika:
a)
H2 (g) + I2 (g)
b)
2 HI (g)
2 HI (g)
H2 (g) + I2 (g)
Koncentracijske konstante ravnoteže za reakcije a) i b) su:

HI
Kc 
H 2  I2 
2
a)
b)
K c, a)
1

K c, b)

H 2  I 2 
Kc 
2
HI
Vrijednosti koncentracijskih konstanti ravnoteža reakcija nastajanja i
raspada jodovodika su međusobno recipročne.
KEMIJSKA RAVNOTEŽA–plinovite smjese
Sastav plinovitih smjesa se najčešće iskazuje parcijalnim
tlakovima komponenata smjese, koji su proporcionalni
množinskom udjelu pojedine komponenete smjese. Ako su i
reaktanti i produkti reakcije u plinovitom stanju, konstanta
odgovarajuće ravnoteže se iskazuje TLAČNOM KONSTANTOM
RAVNOTEŽE, Kp, koja vrijedi za određenu temperaturu i tlak.
a A(g) + b B(g)
c C(g) + d D(g)
p p
Kp 
p p
c
C
a
A
d
D
b
B
KEMIJSKA RAVNOTEŽA–plinovite smjese
RAVNOTEŽE U PLINOVITIM SUSTAVIMA (HOMOGENI SUSTAV)
Kako promjena tlaka utječe na ravnotežu ?
a) n (produkta) = n (reaktanta)
Primjer:
pi
puk
puk
N2(g) + O2(g)
2 NO(g)
matematički – Kp (T)= konst.
p 2 (NO)
a 2  p 2 (NO)
p 2 (NO)
Kp 


p (N2 )  p (O2 ) a  p (N2 )  a  p (O2 ) p (N2 )  p (O2 )
nema promjene ravnoteže
povećanjem puk “a” puta, brojčana
vrijednost razlomka se ne mijenja
KEMIJSKA RAVNOTEŽA–plinovite smjese
b) n (produkata) = n (reaktanta)
Primjer: N2(g) + 3 H2(g)
pi
2NH3(g)
matematički – Kp (T)= konst.


p 2 NH3
9
0
Kp 

1
,
59

10
hPa
(500
C)
3
p(N2 )  p (H2 )




a 2  p 2 NH3
p 2 NH3
Kp 
 2
3
3
a  p(N2 )  a  p (H2 ) a  p(N2 )  p3 (H2 )
puk
n, tj. c, tj. p (NH3)
kako se povećala vrijednost nazivnika “a2”
puta, mora se povećati i vrijednost brojnika,
tj. p (NH3), jer je vrijednost Kp (T) = konst.
KEMIJSKA RAVNOTEŽA–plinovite smjese
Promjenom ukupnog tlaka reakcijske smjese pomiče se
ravnoteža samo kada se reakcijom mijenja broj molekula u sustavu !
Konstante se iskazuju kao Kp,Kx, Kc
a ) Kp= Kx = Kc
konc. se može zamijeniti s n, V,  ,
b) Kp= Kx = Kc
ne smije se zamijeniti kao pod a) !!!
w, X, pi
KEMIJSKA RAVNOTEŽA–plinovite smjese
VRIJEDNOSTI KONSTANTE RAVNOTEŽE:
a) ako u reakciji nema promjene količine tvari odnosno STALNA KOLIČINA TVARI:
konstanta količinske koncentracije Kx može se zamijeniti količinama koje reagiraju,
odnosno volumenima, volumnim udjelima, masenim udjelima, količinskim
udjelima ili parcijalnim tlakovima (plinovi), Kc = Kp= Kx
b) ako u reakciji dolazi do PROMJENA UKUPNE KOLIČINE TVARI : K ima različite
vrijednosti za istu kemijsku reakciju, ovisno o tome da li se koncentracije reaktanata
i produkata izraze količinskom koncentracijom, parcijalnim tlakovima ili količinskim
udjelima; Kc = Kp= Kx
Domaća zadaća
1. M. Sikirica, Stehiometrija: 9.4.; 9.5.; 9.9.; 9.7. i 9.8. a, e, f, m
2. I. Filipović, Opća i anorganska kemija: 9.3.1.; 9.3.3.; 9.3.5.; 9.3.9.; 9.3.12.
3. Preporuka za vježbu: osim izrađenih zadataka na predavanju i zadataka za DZ,
a) M. Sikirica, Stehiometrija: 9.1. – 9.41.
b) I. Filipović, Opća i anorganska kemija: 9.3.1. – 9.3.12.