Chemescht Gläichgewiicht

Chemescht Gläichgewiicht ass keng Reaktioun, déi opgehalen huet. Et ass en Zoustand, an deem d’Hin- an d’Réckreaktioun mat derselwechter Vitess weiderlafen, sou datt déi makroskopesch Zesummesetzung konstant bleift. Déi quantitativ Instrumenter sinn d’Gläichgewiichtskonstant K an de Reaktiounsquotient Q.

Gläichgewiicht ass dynamesch. Hin- a Réckreaktioun lafe weider, mee hir Vitess ass gläich, sou datt déi makroskopesch Zesummesetzung konstant bleift.

Eng Gläichgewiichtskonstant opschreiwen

Fir aA + bB ⇌ cC + dD ass eng op Aktivitéite baséiert Gläichgewiichtskonstant:

K = a(C)^ca(D)^d / [a(A)^aa(B)^b]

Reng Feststoffer a reng Flëssegkeeten hunn eng Aktivitéit no bei 1 a ginn net explizitt an der Ausdrockung gewisen. An aféierende Konzentratiounsausdréck gi molar Konzentratioune bei genuch verdënnte Léisungen als Approximatioun vun den Aktivitéite benotzt.

K hänkt vun der Temperatur of. E Katalysator ännert d’Vitess, mat där d’Gläichgewiicht erreecht gëtt, net K.

Q weist d’Richtung. Vergläich déi aktuell Zesummesetzung Q mam Gläichgewiichtswäert K.

Q seet d’Richtung vun der Ännerung viraus

Q huet déiselwecht algebraesch Form wéi K, benotzt awer déi aktuell Zesummesetzung. Wann Q < K, leeft d’Reaktioun netto no vir. Wann Q > K, gëtt d’Réckreaktioun begënschtegt. Wann Q = K ass, ass d’Zesummesetzung am Gläichgewiicht.

Dat ass méi präzis wéi ze soen, de System géif „probéieren, sech géint d’Ännerung ze wieren“. Eng Stéierung ännert Q; duerno leeft d’Reaktioun esou laang, bis Q erëm gläich K ass.

Q-K-Explorer

Q K

Le Châtelier mat enger molekularer Erklärung

Wann ee Reaktant bäisetzt oder Produkt ewechhëlt, gëtt Q normalerweis méi kleng, sou datt d’Hinreaktioun leeft bis d’Gläichgewiicht nees hiergestallt ass. D’Kompriméiere vun engem Gasmëschung ännert d’Partialdréck; d’Verrécklung hänkt vun de stöchiometresche Potenzen am Q of a begënschtegt dacks déi Säit mat manner Gasmolekülen.

D’Temperatur ass anescht: eng Ännerung vun T ännert K selwer, well d’Reaktiounsenthalpie déi relativ thermodynamesch Stabilitéit vu Reaktanten a Produkter beaflosst. E Katalysator ännert weder Q nach K; e beschleunegt béid Richtungen.

ICE-Tabellen an Reaktiounsfortschrëtt

Wann eng Gläichgewiichtszesummesetzung berechent muss ginn, notéiert eng ICE-Tabell d’Ufanksquantitéiten, d’Ännerung an d’Gläichgewiichtsquantitéiten. D’Ännerunge mussen der Reaktiounsstöchiometrie entspriechen. Fir A ⇌ B: wann x mol L⁻¹ vun A reagéiert, geet A ëm x erof a B ëm x erop.

Déi physikalesch sënnvoll Léisung muss all Konzentratiounen net-negativ halen. Approximatioune wéi „x ass kleng“ solle duerno kontrolléiert ginn an net blann ugeholl ginn.

D’Gréisst vu K a wat se net bedeit

K ≫ 1 bedeit, datt d’Produkter am Gläichgewiicht ënner der gewielter Standardzoustands-Konventioun dominéieren; K ≪ 1 bedeit, datt d’Reaktanten dominéieren. Et seet näischt doriwwer, wéi séier d’Gläichgewiicht erreecht gëtt.

Gläichgewiichtskonstante veränneren sech och, wann eng Reaktiounsgläichung ëmgedréit oder multiplizéiert gëtt: Ëmdréine gëtt 1/K; all Koeffiziente mat n multiplizéieren erhieft K op d’Potenz n.

Gläichgewiichtsrechnunge mat physikalescher Bedeitung

Aktivitéiten erklären, firwat K dimensionslos ass

Streng Gläichgewiichtskonstante ginn mat Aktivitéiten relativ zu Standardzoustände geschriwwen, sou datt K selwer dimensionslos ass. Konzentratiounen a Partialdréck an aféierende Formele si praktesch Approximatioune vun dësen Aktivitéiten.

Bei héijer Ionenstäerkt oder héijem Gasdrock kënnen dës Approximatioune feelen. Da ginn Aktivitéitskoeffizienten oder Fugazitéiten agefouert, sou datt déiselwecht thermodynamesch Struktur gülteg bleift.

E Beispill aus dem Haber-Prozess

Fir N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ begënschtegt d’Kompriméiere vum Gemësch Ammoniak, well Q véier Potenze vum Gasdrock am Nenner huet, awer nëmmen zwou am Zähler. Eng Verréngerung vum Volumen mécht Q am Ufank méi kleng relativ zu K, sou datt netto eng Hinreaktioun follegt.

Eng méi niddreg Temperatur begënschtegt Ammoniak thermodynamesch, well seng Bildung exotherm ass, mee eng ganz niddreg Temperatur verlangsamt d’Kinetik. Industriell Bedéngunge sinn dofir e Kompromëss tëscht Gläichgewiicht, Vitess, Trennung a Leeschtung vum Katalysator.

Gläichgewiicht ass mat mikroskopescher Beweegung vereinbar

Experimenter mat Isotopenmarkéierung kënnen Austausch weisen, och wann déi makroskopesch Konzentratioune konstant sinn. Molekülle reagéiere weider a béid Richtungen; Gläichgewiicht bedeit gläich statistesch Fluxen, net molekular Rou.

Dësen Ënnerscheed ass wichteg bei der Interpretatioun vun engem flaache Konzentratiounsdiagramm. Eng horizontal Linn weist, datt et keng netto Ännerung vun der Zesummesetzung gëtt, net datt Kollisiounen oder Reaktiounsevenementer verschwonne sinn.

Duerchgerechent Beispill: Q virun der Algebra

Fir H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g), huele mer K = 50 un an déi aktuell Partialdréck ginn Q = (P_HI²)/(P_H₂P_I₂) = 8. D’Gemësch ass net am Gläichgewiicht, well 8 ≠ 50.

Well Q < K, erhéicht déi netto Hinreaktioun HI a verbraucht H₂ an I₂, bis de Quotient op 50 klëmmt. Fir dës Konklusioun brauch een keng ICE-Tabell; si ass nëmmen néideg, wann déi final Zesummesetzung gefrot ass.

Übungen

Richtung

Wann Q = 0,05 a K = 20 ass, a wéi eng netto Richtung leeft d’Reaktioun?

Léisung

No vir, well Q < K.

Katalysator

Ännert d’Bäisetze vun engem Katalysator K?

Léisung

Nee. E beschleunegt souwuel d’Hin- wéi d’Réckweeër a verkierzt d’Zäit bis zum Gläichgewiicht.

Réckreaktioun

Wann K = 50 fir A ⇌ B ass, wat ass K fir B ⇌ A?

Léisung

1/50 = 0.020.