Transcript 3. Kémiai egyensúly - Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki

MŰSZAKI KÉMIA
ELŐADÁSOK GÉPÉSZMÉRNÖK HALLGATÓKNAK
3. KÉMIAI EGYENSÚLY
Dr. Bajnóczy Gábor
BME
Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék
AZ ELŐADÁS ANYAGA, KÉPEK, RAJZOK
KIZÁRÓLAG OKTATÁSI CÉLRA,
KORLÁTOZOTT HOZZÁFÉRÉSSEL
HASZNÁLHATÓK !
INTERNETRE KORLÁTLAN HOZZÁFÉRÉSSEL
FELTENNI TILOS !
Kémiai egyensúly
V1
N2 + 3 H2
2 NH3
v2
Egyensúly esetén csak részleges átalakulás történik. Adott konverziós értéknél az
előremenő reakció sebessége v1 megegyezik a termékek visszaalakulásának
sebességével v2
Hogy lehet ΔG mindkét irányban negatív ?
-ΔG
-ΔG
Kémiai egyensúly jellemzése
Egyensúlyi reakció általános felírása
aA + bB
cC + dD
[C]c [D]d
K = ▬▬▬▬▬
[A]a [B]b
Ha K értéke nagy a reakció termékei
keletkeznek
Ha K értéke kicsi alig képződik reakció
termék
[A]
; [B] ; [C] ; [D]
: egyensúlyi koncentrációk
a, b, c, d : sztöchiometriai együtthatók
K : dimenziómentes szám, amelyhez mindig tartozik
egy egyensúlyi egyenlet (adott hőmérsékleten, adott nyomáson)
A szabadentalpia és az egyensúlyi állandó
kapcsolata
A standard szabadentalpia változás egy teljesen
végbemenő reakciónál : ΔG0
Ha nem játszódik le teljesen : ΔG
Kettő közötti kapcsolat:
ΔG = ΔG0 + RTlnQ
Q: reakcióhányados, definicíója megegyezik K-val, de egyensúlyi helyett
tetszőleges koncentrációk szerepelhetnek
Egyensúly esetén: Q = K és ΔG = 0 tehát
0 = ΔG0 + RTlnK
ΔG0 = ▬ RTlnK
Homogén kémiai egyensúlyok
Minden résztvevő azonos fázisban
Folyadék fázis esetén
CH3COOH + C2H5OH
sav
CH3COOC2H5 + H2O
alkohol
észter
[észter] [víz]
Kc = ▬▬▬▬▬▬
[sav] [alkohol]
víz
Egyensúlyi állandó
koncentrációkkal felírva
Gőz-gáz fázis esetén
N2 + 3 H2
2 NH3
p2NH3
Kp = ▬▬▬▬▬▬
PN2 p3H2
Egyensúlyi állandó
parciális nyomásokkal
felírva
Heterogén kémiai egyensúly
Legalább egy résztvevő a többitől eltérő fázisban
Szilárd fázis az egyensúlyban
CaCO3
CaO + CO2
A koncentrációval való számolás egyszerűsítés.
Aktivitásokkal kellene számolni.
Aktivitás = aktivitási koefficiens ● [koncentráció]
Kis koncentrációknál: aktivitási koefficiens ≈ 1,
tehát aktivitás ≈ [koncentráció]
Definíció szerűen:
Tiszta szilárd anyag aktivitása = 1
aktivitás = 1
[CaO] [CO2]
Kc = ▬▬▬▬▬▬
[CaCO3]
aktivitás = 1
Kc = [CO2]
vagy
Kp = pCO2
Az egyensúly eltolási lehetőségei
Koncentráció változtatás az egyensúlyi rendszerben
sav + alkohol
észter + víz
[észter] [víz]
Kc = ▬▬▬▬▬▬
[sav] [alkohol]
Egyensúlyi állandó
koncentrációkkal felírva
Az egyensúlyi állandó kis szám, így kevés termék keletkezik !
Hogyan lehetne megnövelni a termék (észter) mennyiségét ?
1. Az egyensúlyi koncentrációhoz képest megnövelem a kiindulási
anyag valamelyikét. K = állandó miatt a rendszer a termék
képződése irányába mozdul el mindaddig amíg K el nem éri
az eredeti, állapotjelzőknek megfelelő értékét.
2. A termék egyikét folyamatosan elvonom a rendszerből.
Az egyensúly eltolás lehetőségei
Nyomás változtatás az egyensúlyi rendszerben
N2 + 3 H2
1 térf.
3 térf.
2 NH3
2 térf.
Nyomás növeléssel a termék irányába tolható az egyensúly.
Az egyensúlyi rendszer mindig kitér külső behatás esetén
Csak akkor hatásos, ha térfogat változás történik a reakció során
Hőmérséklet változás hatása az egyensúlyi rendszerre
Exoterm reakciók: növekvő hőmérséklet hatására a kiinduló termékek
irányába tolódik el az egyensúly.
Endotherm reakciók : növekvő hőmérséklet hatására a termékek
irányába tolódik el az egyensúly
Sav bázis egyensúlyok vizes oldatban
Ionizációs állandó vagy disszociációs egyensúlyi állandó
Információ a korrózió veszélyről
HA + H2O
H30+ + A-
Sav disszociációja általánosan
[H3O+] [A-]
Ksav = ▬▬▬▬▬▬
[HA] [H2O]
B + H2O
BH+ + OH-
[BH+] [OH-]
Kbázis = ▬▬▬▬▬▬
[B] [H2O]
Bázis disszociációja általánosan
Sav bázis egyensúlyok vizes oldatban
Ksav = Ks és Kbázis = Kb gyakran olyan kis szám, hogy a negatív
logaritmusát adjuk meg
pKs = - log Ks
Sav
Sósav
Kénsav
Salétromsav
Triklórecetsav
Kénessav
Ecetsav
Szénsav
Ks
és
pKb = - log Kb
pKs
∞
∞
∞
3,0*10-1
1,6*10-2
1,8*10-5
4,3*10-7
Erős savak
0,52
1,79
4,75
6,37
Gyenge savak
Nagyobb disszociációs állandó azaz kisebb pKs nagyobb korrózió veszély
Savbázis egyensúlyok
Bázis
Kb
Nátrium-hidroxid ∞
Lítium-hidroxid
∞
Kálium-hidroxid
∞
Etilamin
6,5*10-4
Ammónia
1,8*10-5
Piridin
1,8*10-9
pKb
Erős bázisok
3,19
4,74
4,75
Gyenge bázisok
Nagyobb disszociációs állandó azaz kisebb pKs nagyobb korrózió veszély
alumínumra. A vas a bázisokkal szemben ellenálló.
Víz disszociációja és a pH fogalma
A H 2O
H+ + OH-
reakció ΔG0 értéke 79,83 kJ/mol
A ΔG0 = - RTlnKc alapján Kc = 10-14
[H+] [OH-]
Kvíz = ▬▬▬▬▬▬ = 10-14
[H2O]
Az elbomlás mértéke
elhanyagolható,
tiszta anyag aktivitása = 1
Kvíz = [H+] [OH-] = 10-14
pH = - lg[H+] és pOH = -lg[OH-]
pH + pOH = 14
0 ≤ pH < 7
savas tartomány, savas jelleg a pH csökkenésével nő
pH = 7
semleges oldat
7 < pH ≤ 14
lúgos tartomány, lúgos jelleg nő a pH növekedésével
Vizes sóoldatok sav-bázis tulajdonságai
A vizes sóoldatok pH értéke sokszor lényeges a korrózió szempontjából
Semleges oldatokat képező sók
Erős sav (pl. HCl) + erős bázis (pl.NaOH)
NaCl + H2O → NaOH + HCl
+
Na
-
OH
H+
Cl-
Erős sav és erős bázis teljesen disszociál
[H+] = [OH-]
Vizes sóoldatok sav-bázis tulajdonságai
Savas oldatokat képező sók
Erős sav (pl. HCl) + gyenge bázis (pl.NH4OH) → ammónium-klorid
részlegesen
disszociál
teljesen
disszociál
NH4Cl + H2O → NH4OH + HCl
NH4
+
-
OH
H+
[H+] > [OH-]
Cl-
Vizes sóoldatok sav-bázis tulajdonságai
Bázikus oldatokat képező sók
Erős bázis (pl. NaOH) + gyenge sav (pl.CH3COOH) → nátrium-acetát
részlegesen
disszociál
teljesen
disszociál
CH3COONa + H2O → CH3COOH + NaOH
CH3COO
-
+
H
[H+] < [OH-]
OH-
Na+
Savas eső, savas szennyvíz hatása a vízi
élővilágra
Természetes vizek hidrokarbonát egyensúlya
HCO3- + H+
CO2 + H2O
A savas eső és a savas szennyvíz [H+] ion többletet juttat az egyensúlyi
rendszerbe, amely eltolódik a szén-dioxid képződés irányába
A halak megfulladnak
Sav-bázis indikátorok működése
Hindikátor: egy gyenge sav
Hindikátor + H2O
piros színű
molekuláris forma
indikátor- + H3O+
sárga színű
ionos forma
Sav hozzáadására az egyensúly balra tolódik: piros lesz az oldat
Lúg hozzáadására a (a lúg elfogyasztja a H3O+ ionokat) az
egyensúly jobbra tolódik : az oldat sárga lesz
Semleges állapotban narancs színű az oldat
Számítási gyakorlatok
1. Homogén egyensúlyi állandó számítása
Az alábbi reakcióegyenlettel felírt egyensúlyi folyamat vizsgálatánál 230 °C-on
a következő egyensúlyi koncentrációkat mérték:
[NO] = 0,0524 mol/dm3 [O2] = 0,127 mol/dm3 [NO2] = 15,5 mol/dm3]
2 NO (g) + O2
2 NO2 (g)
Számítsuk ki az egyensúlyi állandót !
Kc =
[NO2]2
[NO]2 [O2]
(15,5)2
=
(0,0524)2 (0,127)
= 6,89*105
Mindegyik kiindulási adat három értékes jeggyel volt megadva, így az eredmény
is három értékes jeggyel adható meg.
2. Erős sav vizes oldatának pH értéke
Számítsuk ki a 0,01 mol/dm3 koncentrációjú vizes sósav oldat pH értékét !
A sósav erős sav, vízben teljesen disszociál
HCl
→
H+
1 mol
→
1 mol
egy mol sósavból 1 mol H+ ion képződik
0,01 mol
→
0,01 mol
az 1 dm3 –ben lévő 0,01 mol sósavból arányosan
kevesebb, azaz 0,01 mol H+ ion képződik
+
Cl-
A pH a hidrogénion-koncentráció negatív előjelű logaritmusa, így
pH = - lg [0,01] = 2,0
Logaritmus képzése esetén a kiindulási adat értékes jegyeinek száma megegyezik a logaritmus
számban a tizedes vessző utáni számjegyek számával.
3. Erős sav vizes oldatának pH értéke
Számítsuk ki a 0,05 mol/dm3 koncentrációjú vizes kénsav oldat pH értékét !
A kénsav erős sav, vízben teljesen disszociál
→
H2 SO4
1 mol
0,05 mol
→
→
2 H+
2 mol
0,1 mol
+
SO4- -
egy mol kénsavból 2 mol H+ ion képződik
az 1 dm3 –ben lévő 0,05 mol kénsavból arányosan
kevesebb, azaz 0,1 mol H+ ion képződik
A pH a hidrogénion-koncentráció negatív előjelű logaritmusa, így
pH = - lg [0,1] = 1,0
4. Erős bázis vizes oldatának pH értéke
Számítsuk ki a 0,01 mol/dm3 koncentrációjú vizes kálium-hidroxid oldat pH értékét !
A lúgos oldatban a pH-t csak közvetetten tudjuk kiszámítani. Először a pOH-t majd a
14 = pH +pOH összefüggésből a pH-t számítjuk ki.
KOH
→
1 mol
→
K+
+
OH-
1 mol
egy mol kálium-hidroxidból 1 mol OHion képződik
0,01 mol
→
0,01 mol
az 1 dm3 –ben lévő 0,01 mol
kálium-hidroxidból arányosan kevesebb,
azaz 0,01 mol OH- ion képződik
pOH = - lg [OH- ] = - lg [0,01] = 2,0
A pH + pOH = 14 összefüggésből pH = 12
5. Gyenge sav vizes oldatának pH értéke
A 1,0*10-2 mol/dm3 ecetsav vizes oldatában az ecetsav molekulák 4,2 %-a disszociál.
Számítsuk ki a disszociációs egyensúlyi állandót és a pH-t.
1 dm3 oldatban
CH3COOH
kiindulási állapot
0,010 mol
egyensúlyi állapot
H+
+
CH3COO-
0 mol
(0,010 – 0,010*0,042) mol
0 mol
0,010*0,042 mol
0,010*0,042 mol
Egyensúlyi állapotban az 1 dm3-ben lévő 0,010 mol ecetsav molekula 4,2%-a elbomlik, így a megmaradó
mennyiség (0,010 – 0,010*0,042) mol. A reakcióegyenletből azt látjuk, hogy 1 mol ecetsavból 1 mol H+ ion és
egy mol CH3COO- (acetátion) képződhet, tehát az elbomlott 0,010*0,042 mol ecetsavból ugyanennyi mol
hidrogénion és acetátion képződik, azaz a H+ ionkoncentráció 4,2*10-4 mol/dm3
Kc =
[H+] [CH3COO- ]
[CH3COOH]
( 4,2*10 – 4 )*(4,2*10 – 4 )
=
Az oldat pH értéke
9,58*10 – 3
= 1,84*10 - 5 = 1,8*10-5
pH = - lg [ 4,2*10 – 4 ] = 3,38 = 3,4
6a. Adott pH-ju víz előállítása
Számítsa ki, hogy 2,0 m3 pH = 3,0 –as víz előállításához mennyi sósav (moltömeg: 36,5),
illetve mennyi késav (moltömeg: 98) szükséges !
Sósav szükséglet:
A pH = 3,0 azt jelenti, hogy a víz hidrogénion koncentrációja 0,0010 mol/dm3 .
Mivel a sósav esetén 1 mol sósavból 1 mol hidrogénion lesz, így az oldat minden
dm3-e 0,0010 mol sósavat kell, hogy tartalmazzon.
2,0 m3 = 2,0*103 dm3 tehát a sósav szükséglet 2,0*103*0,0010 = 2,0 mol sósav
Tömegben kifejezve: 2,0 mol * 36,5 = 73 g
Kénsav szükséglet:
A pH = 3,0 azt jelenti, hogy a víz hidrogénion koncentrációja 0,0010 mol/dm3 .
Mivel a kénsav esetén 1 mol kénsavból 2 mol hidrogénion lesz, így az oldat minden
dm3-e 0,0010 / 2,0 = 0,00050 mol kénsavat kell, hogy tartalmazzon.
2,0 m3 = 2,0*103 dm3 tehát a kénsav szükséglet 2,0*103*0,00050 = 1,0 mol kénsav
Tömegben kifejezve: 1,0 mol * 98 = 98 g
6b. Adott pH-ju víz előállítása
Számítsa ki, hogy 2,0 m3 pH = 12,0 –es víz elkészítéséhez hány kg nátrium-hidroxid
(moltömeg: 40,0) szükséges !
A pH + pOH = 14 összefüggés alapján pOH = 14 – 12,0 = 2
A pOH = 2 azt jelenti, hogy a víz hidroxidion koncentrációja 1*10-2 mol/dm3.
2,0 m3 esetén az OH – ionok mennyisége 2,0*103 dm3 * 1*10-2 mol/dm3 = 2*101 mol
A nátrium-hidroxid lévén erős bázis, teljesen disszociál, azaz 1 mol NaOH-ból
1 mol OH– ion képződik.
NaOH → Na+ + OH-
2*101 mol hidroxidion képződéséhez 2*101 mol nátrium-hidroxid,
azaz 2*101 * 40,0 = 8*102 g, azaz 0,80 kg nátrium-hidroxid szükséges.
7. Savas szennyvíz semlegesítése
Számítsa ki, hogy 10,0 m3 pH=2,0 szennyvíz semlegesítéséhez hány kg 5,0 tömeg %
nátrium-kloridot és 5,0 tömeg % vizet tartalmazó technikai minőségű nátrium-hidroxid
szükséges ! NaOH moltömege: 40,0
pH = 2,0 jelentése, a szennyvíz hidrogénion koncentrációja 0,010 mol/dm3.
10,0 m3 szennyvíz hidrogénion tartalma 1,00*104 dm3 * 0,010 mol/dm3 = 1,0*102 mol
Közömbösítési reakció: H+ + OH- = H2O
1,0mol + 1,0 mol
Tehát a szükséges OH- ion mennyisége szintén 1,0*102 mol.
A nátrium-hidroxid erős bázis teljesen disszociál: NaOH = Na+ + OH1 mol
1 mol
Tehát 1,0*102 mol OH- ion 1,0*102 mol nátrium-hidroxid disszociálása során képződik.
1,0*102 mol NaOH = 1,0*102 * 40,0 = 4,0*103 g
A nátrium hidroxid azonban 5,0+5,0 = 10,0 % inaktív szennyezést tartalmaz, ezért
a szükséges mennyiség 4,0*103g / 0,900 = 4,44 kg ≈ 4,4 kg