Χημικές καταστάσεις ισορροπίας

Θα συζητήσουμε την ισορροπία στις φυσικές και χημικές διεργασίες και άλλα βασικά θέματα που συνδέονται με αυτό. βεβαιωθείτε ότι θα μείνετε μαζί μας μέχρι το τέλος. Χωρίς περαιτέρω δισταγμό, ας ξεκινήσουμε.

Τι σημαίνει Χημική Ισορροπία;

Στην περίπτωση μιας αναστρέψιμης αντίδρασης, όταν ο ρυθμός προς τα εμπρός αντίδρασης είναι ίδιος με τον ρυθμό της αντίστροφης αντίδρασης, αυτή η συγκεκριμένη κατάσταση ονομάζεται χημική ισορροπία. Ένα καλό παράδειγμα χημικής ισορροπίας είναι η αντίδραση μεταξύ αερίου διοξειδίου του άνθρακα και νερού σε ένα μπουκάλι αναψυκτικού. Το διοξείδιο του άνθρακα υπάρχει διαλυμένο στα ποτά και μεταξύ του καπακιού και του ποτού. Υπάρχει μια συνεχής αλλαγή φάσης του διοξειδίου του άνθρακα μέσα στη φιάλη. Υπάρχει αλλαγή στη φάση του αερίου σε υγρό και της υγρής σε αέρια φάση του διοξειδίου του άνθρακα. Ωστόσο, αυτές οι αλλαγές φάσης δεν είναι ορατές σε εμάς. Έτσι, αυτό το σύστημα λέγεται ότι βρίσκεται σε χημική ισορροπία.

Η αντίδραση εδώ είναι 

CO2 (g) + H2O (l) ⥨ H2CO3 (aq)

Κατηγορίες χημικής ισορροπίας

Η χημική ισορροπία μπορεί να ταξινομηθεί σε δύο τύπους:

Ομογενής Ισορροπία:

Ενώ σε σύγκριση με την Ετερογενή ισορροπία, η Ομοιογενής ισορροπία ήταν σχετικά απλή και λιγότερο περίπλοκη όσον αφορά την ισορροπία στις φυσικές και χημικές διεργασίες.

Τα αντιδρώντα συν τα προϊόντα βιοχημικής ισορροπίας βρίσκονται πάντα σε παρόμοια κατάσταση αυτού του είδους. Επομένως, η ομοιογενής ισορροπία ταξινομείται περαιτέρω σε δύο κατηγορίες:Αντιδράσεις κατά τις οποίες ο αριθμός των μορίων που παράγονται από τα προϊόντα ισούται με τον αριθμό των μορίων που παράγονται από τα αντιδρώντα.

Οι πιο χαρακτηριστικές περιπτώσεις είναι αντιδράσεις που περιλαμβάνουν αέρια στοιχεία ή διεργασίες διαλύματος.

Παράδειγμα 1- Η αμμωνία σχηματίζεται μέσω της αλληλεπίδρασης αζώτου και υδρογόνου (διαδικασία Haber).

N₂(g)+ 3H2(g) ⇔ 2NH3(g)

Παράδειγμα 2 – Η πιο αποδεκτή περίπτωση ομοιογενούς αντιδραστικότητας σε υγρό στάδιο ήταν η διαδικασία εστεροποίησης μεταξύ ακατέργαστης αλκοόλης και οργανικού οξέος.

CH3COOH(l) + CH3CH2OH(l) ⇔ CH3COOCH2CH3(l) +H2O(l)

Ετερογενής Ισορροπία:

Αυτή η ετερογενής ισορροπία εμφανίζεται κάθε φορά που η συνθήκη ισορροπίας μέσα σε ένα σύστημα περιέχει στοιχεία από περισσότερα από ένα μόνο στάδια. Για παράδειγμα, ας υποθέσουμε ότι τοποθετούμε πάγο συν νερό σε έναν κύλινδρο στη θερμοκρασία, η οποία επιτρέπει και στις δύο φάσεις να υπάρχουν διαδοχικά. και τα δύο κομμάτια πάγου και νερού βρίσκονται σε κατάσταση ισορροπίας. Αυτό είναι γνωστό ως ετερογενής ισορροπία.

Η ισορροπία σε ένα ετερογενές σύστημα συμβαίνει όταν τα αντιδρώντα και τα προϊόντα βρίσκονται σε περισσότερες από μία φυσικές καταστάσεις της ύλης. Για παράδειγμα, όταν το διοξείδιο του άνθρακα (αέρια κατάσταση) αντιδρά με τον άνθρακα (στερεά κατάσταση), το προκύπτον προϊόν είναι μονοξείδιο του άνθρακα (αέρια κατάσταση). Εδώ, ο ρυθμός των αντιδράσεων προς τα εμπρός και προς τα πίσω είναι ο ίδιος. Η εξίσωση για αυτήν την ετερογενή αντίδραση ισορροπίας είναι 

CO₂ (g)+ C(s) ↔ 2CO (g)

Στην παραπάνω αντίδραση, οι φυσικές καταστάσεις των αντιδρώντων και των προϊόντων δεν είναι οι ίδιες. Ως εκ τούτου, ονομάζεται ετερογενής ισορροπία.

Ας δείξουμε μια αναστρέψιμη διεργασία με χρήση ανάλυσης CaCO3. Το ανθρακικό ασβέστιο αποσυντίθεται για να σχηματίσει CaO συν CO2. Την ακριβή στιγμή, ο ρυθμός κατά τον οποίο διασπάται το CaCO3 (s) είναι ο ίδιος όπως όταν το προϊόν αναμιγνύεται για να σχηματίσει το αντιδρών. Σε αυτό το σημείο, έχει επιτευχθεί ισορροπία στις φυσικές και χημικές διεργασίες.

CaCO₃ (s) ⇌ CaO (s) + CO₂ (g)

Περιπτώσεις ετερογενούς ισορροπίας

Ακολουθούν ορισμένες περιπτώσεις θερμοδυναμικής της ετερογενούς ισορροπίας και της ισορροπίας χημικών αντιδράσεων.

Ο καθαρός σίδηρος συν διοξείδιο του άνθρακα παράγεται όταν το σύνθετο οξείδιο του σιδήρου αντιδρά με το αέριο μονοξείδιο του άνθρακα.

FeO (s) + CO (g)→ FeO (s) + CO2 (g)

Ο ατμός αντιδρά με την καύση του θερμού άνθρακα για να δημιουργήσει αέριο υδρογόνο συν αέριο μονοξείδιο του άνθρακα.

H2O (g) + C (s) + CO →H2(g) + CO (g)

Η αλληλεπίδραση μεταξύ αερίου διοξειδίου του άνθρακα και στερεού άνθρακα δημιουργεί αέριο μονοξείδιο του άνθρακα σε κατάσταση ισορροπίας.

CO₂(g) + C (s) →2 CO(g

Τι ακριβώς είναι η σταθερά ισορροπίας;

Αυτή η σταθερά ισορροπίας φαίνεται να είναι ένα άθροισμα που αντιπροσωπεύει τη σύνδεση μεταξύ των ποσοτήτων των αντιδρώντων και των στοιχείων κατά τη διάρκεια μιας διαδικασίας ισορροπίας σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία. Αυτό γράφεται ως "KC" Εξετάστε την εξίσωση ομογενούς ισορροπίας για να προσδιορίσετε την έκφραση για το KC.

aA + bB ⇔ cC + dD

Αξίζει να αναφέρουμε ότι τα προϊόντα τοποθετούνται συνήθως στο δεξί άκρο, ενώ τα αντιδρώντα πάντα γράφονταν στο αριστερό. Αυτή η σταθερά ισορροπίας KC για μια τέτοια διαδικασία είναι μια αναλογία στην οποία τα στοιχεία με τους συντελεστές τους ως εκθέτες αποτελούν τον αριθμητή και τα αντιδρώντα που δημιουργούν αυτόν τον παρονομαστή.

Ας δημιουργήσουμε τον τύπο της μεταβλητής ισορροπίας KC για τη διαδικασία παραγωγής αμμωνίας του Haber ως παράδειγμα.

2NH3 (g) ⇌ N2(g) + 3H2(g)

KC  παριστάνεται ως KC =[NH3]² / [N2] [H2]³

Θα πρέπει να σημειωθεί από την αρχή της εξώθερμης του Le Chatelier ότι για στοιχεία με ένα μόνο μόριο, όπως το N2, η τιμή εκθέτη του ενός δεν χρειάζεται να αναφέρεται. Επομένως, εξετάζονται μόνο οι συγκεντρώσεις αερίων και υδαρών στοιχείων της διεργασίας.

Παράγοντες που επηρεάζουν τη χημική ισορροπία

Όταν μια μεμονωμένη αλλαγή εντός των στοιχείων επηρεάζει τις ρυθμίσεις ισορροπίας, η διαδικασία θα εξουδετερώσει ή θα μειώσει την επίδραση ολόκληρου του μετασχηματισμού. Αυτή η ιδέα σχετίζεται τόσο με την ισορροπία στις φυσικές όσο και στις χημικές διεργασίες.

Η θερμότητα, η πίεση και η ένταση της διαδικασίας είναι όλοι παράγοντες που επηρεάζουν την ισορροπία. Επιπλέον, διάφορα ζωτικά στοιχεία που επηρεάζουν τη βιοχημική ισορροπία εξετάζονται παρακάτω.

Αλλαγή συγκέντρωσης:

• Η αντίδραση που καταναλώνει το πρόσθετο υλικό μειώνει τις συγκεντρώσεις των μορίων ή των προϊόντων των αντιδρώντων.

• Η συγκέντρωση των αποσυρόμενων αντιδραστηρίων και προϊόντων μετριάζεται από τη διαδικασία που αποκαθιστά το υλικό που αποβάλλεται.

• Η σύσταση του διαλύματος κατά τη διάρκεια της χημικής ισορροπίας κυμαίνεται κάθε φορά που αλλάζει η ένταση αυτού του αντιδραστηρίου και του προϊόντος.

Μεταβολή πίεσης:

Η μετατόπιση του όγκου προκαλεί τη μεταβολή της πίεσης. Η συνολική ποσότητα των αέριων μορίων και προϊόντων αλλάζει όταν αλλάζει η πίεση, επηρεάζοντας την αέρια διεργασία. Οι αλλαγές στη δύναμη τόσο στα στερεά όσο και στα υγρά μπορεί να αγνοηθούν στην ετερογενή βιοχημική ισορροπία, με βάση την αρχή του Le Chatelier για την εξώθερμη, καθώς ο όγκος παραμένει ανεξάρτητος από τη δύναμη.

Συμπέρασμα

Η κατάσταση ισορροπίας είναι αυτή στην οποία δεν υπάρχει καθαρή αλλαγή στις συγκεντρώσεις των αντιδρώντων και των προϊόντων. Παρόλο που δεν υπάρχει εμφανής αλλαγή στην ισορροπία, αυτό δεν σημαίνει ότι όλες οι χημικές αντιδράσεις έχουν σταματήσει. Ωστόσο, όλα αφορούν τη θερμοδυναμική ισορροπίας χημικών αντιδράσεων και άλλα κρίσιμα θέματα που συνδέονται με αυτήν.