Σταθερά ισορροπίας, πηλίκο αντίδρασης και ελεύθερη ενέργεια Gibbs

Ως κατάσταση ισορροπίας ορίζεται η κατάσταση ισορροπίας μεταξύ δύο αντιτιθέμενων φατριών. Σκεφτείτε ένα ζεστό φλιτζάνι τσάι που έχει μείνει σε ένα τραπέζι. Γνωρίζουμε ότι η θερμοκρασία μέσα στο κύπελλο είναι σημαντικά μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Καθώς περνά ο καιρός, παρατηρούμε ότι το κύπελλο απελευθερώνει θερμότητα στην ατμόσφαιρα. Συνεχίζει να απελευθερώνει τη θερμότητα μέχρι η θερμοκρασία μέσα στο φλιτζάνι να ισούται με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Αυτό ονομάζεται συνθήκη ισορροπίας.

Αυτό το άρθρο διερευνά τη σχέση μεταξύ της σταθεράς ισορροπίας, του πηλίκου αντίδρασης και της ελεύθερης ενέργειας Gibbs και παρέχει παραδείγματα σταθεράς ισορροπίας.

Χημική Ισορροπία

Μια χημική αντίδραση λέγεται ότι έχει φτάσει σε κατάσταση χημικής ισορροπίας όταν δεν είναι δυνατές περαιτέρω αλλαγές στη συγκέντρωση των αντιδρώντων και των προϊόντων. Όταν μια χημική αντίδραση φτάσει σε κατάσταση χημικής ισορροπίας, ο ρυθμός της προς τα εμπρός αντίδρασης στην πλευρά του αντιδραστηρίου είναι πάντα ίσος με τον ρυθμό της αντίστροφης αντίδρασης στην πλευρά του προϊόντος. Το μίγμα ισορροπίας σε κατάσταση χημικής ισορροπίας ορίζεται ως τα μείγματα των αντιδρώντων και των συστατικών του προϊόντος της αντίδρασης.

Η χημική ισορροπία ταξινομείται περαιτέρω στις ακόλουθες τρεις ομάδες,

Όταν έχει απομείνει μόνο μια μικρή ποσότητα από τη συγκέντρωση του αντιδρώντος, η αντίδραση επιτυγχάνει μια κατάσταση ισορροπίας.
Όταν λαμβάνεται πολύ μικρή ποσότητα προϊόντος, η χημική αντίδραση επιτυγχάνει μια κατάσταση ισορροπίας.
Όταν το μείγμα των περιεχομένων της αντίδρασης είναι ασύγκριτο, η αντίδραση επιτυγχάνει μια κατάσταση ισορροπίας.

Σταθερά ισορροπίας

Ο νόμος της χημικής ισορροπίας δίνει τη σταθερά ισορροπίας. Για την κατάσταση χημικής ισορροπίας, σε σταθερή σταθερή θερμοκρασία, ο λόγος του πολλαπλασιασμού του προϊόντος της αντίδρασης προς τον πολλαπλασιασμό της συγκέντρωσης των αντιδρώντων της εξίσωσης, και το καθένα αυξάνεται στην ισχύ στους αντίστοιχους συντελεστές των στοιχείων της αντίδρασης .

Για μια γενική χημική αντίδραση, η χημική ισορροπία δίνεται από,

a.A + b.B ⇌ c.C + d.D,

Kc =[C]c [D]d / [A]a [B]b (Kc =Σταθερά Ισορροπίας)

Δυνατότητες της σταθεράς ισορροπίας

Μερικά από τα σημαντικά χαρακτηριστικά των σταθερών ισορροπίας είναι τα ακόλουθα,

Η σταθερά ισορροπίας μπορεί να εκφραστεί μόνο όταν η συγκέντρωση των στοιχείων στα αντιδρώντα και των στοιχείων στα προϊόντα έχει επιτύχει μια σταθερή τιμή στη χημική κατάσταση ισορροπίας.
Η τιμή της σταθεράς ισορροπίας δεν εξαρτάται από τις αρχικές συγκεντρώσεις των στοιχείων στα αντιδρώντα και των στοιχείων στα προϊόντα.
Η σταθερά ισορροπίας εξαρτάται από τη θερμοκρασία στην οποία συμβαίνει η αντίδραση. έχει μια σταθερή τιμή για μια χημική αντίδραση και μια ισορροπημένη εξίσωση αντιπροσωπεύει αυτή την τιμή σε μια δεδομένη θερμοκρασία.
Το Kc για την αντίστροφη αντίδραση ισούται με την τιμή της σταθεράς αντίστροφης ισορροπίας (Kc) για την αντίστροφη αντίδραση και αντίστροφα.

Λυμένο παράδειγμα

Ερώτηση:Σε κατάσταση ισορροπίας, οι συγκεντρώσεις του N2 =2,0 × 10 –3M, O2 =6 × 10–3M και NO=5 × 10–3M σε ένα σφραγισμένο δοχείο σε θερμοκρασία 800K. Τι θα είναι το Kc για την αντίδραση

N2 + O2 ⇌ 2NO

Λύση:

Για τη σταθερά ισορροπίας της αντίδρασης, το Kc μπορεί να γραφτεί ως,

Kc =[NO]2 / [N]1.[O]1

Kc =[5 x 10-3]2 / [2 x 10-3].[6 x 10-3]

Kc =2,08.

Πηλίκο αντίδρασης

Το πηλίκο της αντίδρασης (Q) είναι παρόμοιο με τη σταθερά χημικής ισορροπίας Kc. η μόνη διαφορά μεταξύ των δύο είναι ότι οι συγκεντρώσεις στον υπολογισμό του πηλίκου της αντίδρασης δεν είναι τιμές χημικής ισορροπίας.

Για μια γενική χημική αντίδραση:

aA + bB ⇌ cC + dD

Qc =[C]c [D]d / [A]a [B]b

Στη συνέχεια,

Εάν Qc > Kc, η αντίδραση θα είναι μια αντίστροφη αντίδραση,

Εάν Qc

Εάν Qc =Kc, η αντίδραση βρίσκεται σε ισορροπία.

Gibbs Free Energy

Όταν μια χημική αντίδραση λαμβάνει χώρα σε σταθερή θερμοκρασία και σταθερή πίεση, ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής μπορεί να διαταχθεί με τέτοιο τρόπο ώστε να δίνει μια νέα έκφραση,

∆G =H – T.S

Αυτή είναι η έκφραση για την ελεύθερη ενέργεια Gibbs (∆G),

Εδώ, H =ενθαλπία

T =θερμοκρασία

S =εντροπία

Σχέση μεταξύ της σταθεράς ισορροπίας, του πηλίκου αντίδρασης και της ελεύθερης ενέργειας Gibbs

Ο ρυθμός μιας χημικής αντίδρασης δεν επηρεάζει την τιμή της χημικής ισορροπίας της αντίδρασης. Ωστόσο, η τιμή του Kc εξαρτάται από τη θερμοδυναμική της αντίδρασης, και επομένως από την ελεύθερη ενέργεια Gibbs (∆G).

Για το ∆G, έχουμε τις ακόλουθες συνθήκες,

Όταν το ΔG έχει τιμή -ve, η αντίδραση είναι προς τα εμπρός
Όταν το ΔG έχει τιμή +ve, η αντίδραση αντιστρέφεται
Όταν ΔG =0, η αντίδραση βρίσκεται σε ισορροπία.

Η ακόλουθη έκφραση δίνει τη σχέση μεταξύ της σταθεράς ισορροπίας, του πηλίκου αντίδρασης και της ελεύθερης ενέργειας Gibbs,

Συμπέρασμα

Το παραπάνω άρθρο παρέχει ολοκληρωμένες πληροφορίες για τη σταθερά ισορροπίας, το πηλίκο αντίδρασης και την ενέργεια Gibbs σε μια χημική αντίδραση. Μπορούμε να κατανοήσουμε την έννοια της ισορροπίας με τη βοήθεια παραδειγμάτων πηλίκου αντίδρασης και ελεύθερης ενέργειας Gibbs από τις σημειώσεις λεπτομερούς σταθεράς ισορροπίας, πηλίκου αντίδρασης και ελεύθερης ενέργειας Gibbs. Η χημική ισορροπία ορίζεται ως μια κατάσταση ισορροπίας όπου δεν μπορεί να συμβεί περαιτέρω αντίδραση. Η σταθερά ισορροπίας και το πηλίκο της αντίδρασης των χημικών αντιδράσεων είναι τα ίδια, εκτός από το ότι το Qc υπολογίζεται για αντιδράσεις μη ισορροπίας.