Δυναμική ισορροπία
Μια αναστρέψιμη χημική αντίδραση είναι αυτή που μπορεί να συνεχιστεί και προς την κατεύθυνση προς τα εμπρός (από αριστερά προς τα δεξιά) και προς τα πίσω (δεξιά προς τα αριστερά). Όταν οι ταχύτητες της μπροστινής και της αντίστροφης αντίδρασης είναι ίσοι, οι συγκεντρώσεις του αντιδρώντος και του είδους του προϊόντος παραμένουν σταθερές καθ' όλη τη διάρκεια του χρόνου και το σύστημα βρίσκεται σε ισορροπία. Για να επεξηγηθεί η αναστρέψιμη φύση της αντίδρασης, χρησιμοποιείται ένα διακριτικό διπλό βέλος. Στα συστήματα ισορροπίας, οι σχετικές συγκεντρώσεις των αντιδρώντων και των προϊόντων ποικίλλουν ευρέως. Ορισμένα συστήματα περιλαμβάνουν κυρίως προϊόντα σε κατάσταση ισορροπίας, ενώ άλλα περιέχουν κυρίως αντιδρώντα και άλλα έχουν σημαντικές ποσότητες και των δύο.
Τι είναι η δυναμική ισορροπία;
Μόνο οι αναστρέψιμες αντιδράσεις φτάνουν σε δυναμική ισορροπία, κάτι που συμβαίνει όταν ο ρυθμός προς τα εμπρός αντίδρασης ισούται με τον ρυθμό της αντίστροφης αντίδρασης. Η μπροστινή και η αντίστροφη αντίδραση εξακολουθούν να συμβαίνουν σε αυτές τις εξισώσεις, αλλά οι δύο ρυθμοί είναι ίσοι και σταθεροί, επομένως βρίσκονται επίσης σε ισορροπία.
Η αλλαγή της θερμοκρασίας, της πίεσης ή της συγκέντρωσης μιας αντίδρασης μπορεί να προκαλέσει την κίνηση της ισορροπίας της εξίσωσης και να την βγάλει από τη δυναμική ισορροπία.
Γι' αυτό, αφού αφήσετε μια κόλα κόκας ανοιχτό για μεγάλο χρονικό διάστημα, τελικά θα γίνει "επίπεδη", χωρίς άλλες φυσαλίδες. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το δοχείο αναψυκτικού δεν είναι πλέον ένα κλειστό σύστημα, επιτρέποντας στο διοξείδιο του άνθρακα να αλληλεπιδρά με το περιβάλλον. Αυτό το πετάει έξω από τη δυναμική ισορροπία, με αποτέλεσμα η αέρια μορφή του διοξειδίου του άνθρακα να διαφύγει μέχρι να μην μείνουν άλλες φυσαλίδες.
Παραδείγματα δυναμικής ισορροπίας
Αν μια αντίδραση είναι αναστρέψιμη και οι ταχύτητες προς τα εμπρός και προς τα πίσω είναι ίσες, θα βρίσκεται σε δυναμική ισορροπία. Ας υποθέσουμε ότι φτιάχνετε ένα διάλυμα που είναι κορεσμένο με ένα υδατικό διάλυμα NaCl. Εάν στη συνέχεια προσθέσετε στερεούς κρυστάλλους NaCl στο διάλυμα, το NaCl θα διαλυθεί και θα ανακρυσταλλωθεί ταυτόχρονα. Όταν ο ρυθμός διάλυσης του NaCl ισούται με τον ρυθμό ανακρυστάλλωσης, η αντίδραση:
NaCl(s) ⇌ Na+(aq) + Cl-(aq), θα βρίσκεται σε δυναμική ισορροπία.
NO2 (g) + CO(g) =NO(g) + CO2 (g) (ξανά , εφόσον οι δύο συντελεστές είναι ίσοι).
Το διοξείδιο του αζώτου (NO2) αλληλεπιδρά με το μονοξείδιο του άνθρακα (CO) για την παραγωγή οξειδίου του αζώτου (NO) και άνθρακα διοξείδιο (CO2), ενώ το οξείδιο του αζώτου και το διοξείδιο του άνθρακα αντιδρούν για να παράγουν διοξείδιο του αζώτου και μονοξείδιο του άνθρακα στην αντίθετη διαδικασία.
Εάν μπορείτε να εντοπίσετε διακυμάνσεις στην ποσότητα των αντιδρώντων ή προϊόντων ενώ παρακολουθείτε μια διαδικασία, ξέρετε ότι δεν βρίσκεται σε δυναμική ισορροπία. (Ακριβώς επειδή δεν μπορείτε να δείτε καμία αλλαγή δεν σημαίνει ότι βρίσκεται σε δυναμική ισορροπία· μπορεί να βρίσκεται σε στατική ισορροπία ή οι αλλαγές είναι πολύ μικρές για να τις δείτε με το ανθρώπινο μάτι.
4 Fe(s) + 6 H2O(l) + 3O2 (g) =4 Fe(OH )3 είναι ένα παράδειγμα εξίσωσης που δεν θα μπορούσε ποτέ να βρίσκεται σε δυναμική ισορροπία (ες).
Αυτή είναι η εξίσωση για το σχηματισμό σκουριάς. Επειδή το βέλος απόκρισης ταξιδεύει μόνο προς μία κατεύθυνση (γι' αυτό ένα σκουριασμένο αυτοκίνητο δεν θα γυαλίσει ξανά από μόνο του), μπορούμε να δούμε ότι δεν θα βρίσκεται ποτέ σε δυναμική ισορροπία.
Σημασία δυναμικής ισορροπίας
Η λέξη "ισορροπία" προέρχεται από τη λατινική λέξη "ισορροπία", που κυριολεκτικά σημαίνει "ισόρροπη ισορροπία". Ως αποτέλεσμα, μπορούμε να το ορίσουμε ως μια κατάσταση κατά την οποία οι αντίθετες δυνάμεις ισορροπούν ή ένα σύστημα που δεν αλλάζει με την πάροδο του χρόνου, δηλαδή δεν ενεργεί καθαρή δύναμη.
Υπάρχουν δύο μορφές ισορροπίας:η στατική ισορροπία και η δυναμική ισορροπία.
Μια στατική ισορροπία είναι μια κατάσταση σώματος κατά την οποία η προκύπτουσα δύναμη που ασκείται σε ένα αντικείμενο είναι μηδέν και το αντικείμενο είναι ακίνητο.
Η ιδέα της Χημείας για τη δυναμική ισορροπία είναι κρίσιμη. Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε πώς οτιδήποτε μπορεί να είναι ταυτόχρονα ενεργό και ισορροπημένο.
Ποια είναι η διαφορά μεταξύ της δυναμικής ισορροπίας και της στατικής ισορροπίας;
Αν και εξετάζετε τις αντιδράσεις σε δυναμική ισορροπία και στατική ισορροπία, καμία από τις δύο δεν θα εμφανίζει εμφανείς αλλαγές και θα φαίνεται σαν να μην συμβαίνει τίποτα.
Οι αντιδράσεις στατικής ισορροπίας, από την άλλη πλευρά, διαφέρουν ουσιαστικά από τις αντιδράσεις δυναμικής ισορροπίας.
Όταν μια διεργασία φτάσει σε στατική ισορροπία (γνωστή και ως μηχανική ισορροπία), δεν υπάρχει κίνηση μεταξύ των αντιδρώντων και των προϊόντων. Και οι δύο ταχύτητες αντίδρασης προς τα εμπρός και την αντίστροφη είναι μηδενικές, υποδεικνύοντας ότι η αντίδραση έχει ολοκληρωθεί.
Ενώ οι αντιδράσεις σε δυναμική ισορροπία είναι αναστρέψιμες (που σημαίνει ότι μπορεί να πάνε προς οποιαδήποτε κατεύθυνση), οι αντιδράσεις σε στατική ισορροπία είναι μη αναστρέψιμες (που σημαίνει ότι μπορούν να πάνε μόνο με έναν τρόπο).
Τόσο η δυναμική όσο και η στατική ισορροπία, από την άλλη πλευρά, είναι περιπτώσεις συστημάτων σε σταθερή κατάσταση, όπου το αποτέλεσμα της καθαρής δύναμης στα συστήματα είναι μηδέν.
Συμπέρασμα
Όταν ο ρυθμός της μπροστινής και της αντίστροφης αντίδρασης είναι ίσοι, οι συγκεντρώσεις του αντιδρώντος και του είδους του προϊόντος παραμένουν σταθερές καθ' όλη τη διάρκεια του χρόνου και το σύστημα βρίσκεται σε ισορροπία. Εάν μια αντίδραση είναι αναστρέψιμη και οι ταχύτητες προς τα εμπρός και προς τα πίσω είναι ίσες, θα βρίσκεται σε δυναμική ισορροπία. Εάν μπορείτε να ανιχνεύσετε διακυμάνσεις στην ποσότητα των αντιδρώντων ή προϊόντων ενώ παρακολουθείτε μια διαδικασία, ξέρετε ότι δεν βρίσκεται σε δυναμική ισορροπία. Στατική ισορροπία είναι μια κατάσταση σώματος κατά την οποία η προκύπτουσα δύναμη που ασκείται σε ένα αντικείμενο είναι μηδέν και το αντικείμενο είναι ακίνητο. Τόσο η δυναμική όσο και η στατική ισορροπία, από την άλλη πλευρά, είναι περιπτώσεις συστημάτων σε σταθερή κατάσταση, όπου το αποτέλεσμα της καθαρής δύναμης στα συστήματα είναι μηδέν.
