Równowaga chemiczna

Równowaga jest dynamiczna

Dla reakcji ogólnej aA + bB ⇌ cC + dD szybkość reakcji w przód początkowo może dominować, lecz wraz z powstawaniem produktów rośnie możliwość reakcji odwrotnej. W równowadze szybkości są równe, niekoniecznie stężenia.

Stały skład nie oznacza równych ilości reagentów i produktów. Położenie równowagi zależy od termodynamiki danego układu i może silnie faworyzować jedną stronę.

K opisuje stan równowagi

Dla prostego zapisu stężeniowego K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b), ale ścisłe równania termodynamiczne używają bezwymiarowych aktywności. Czyste ciała stałe i ciecze mają w standardowym przybliżeniu aktywność bliską 1.

Wartość K dla ustalonej reakcji zależy od temperatury. Zmiana początkowych ilości nie zmienia K; zmienia tylko drogę i końcowy skład, który musi spełnić warunek równowagi.

Q mówi, w którą stronę układ musi się przesunąć

Iloraz reakcyjny Q ma tę samą postać algebraiczną co K, lecz jest obliczany dla aktualnego składu. Jeśli Q < K, reakcja netto przesuwa się w stronę produktów; jeśli Q > K, w stronę reagentów.

Gdy Q = K, układ jest w równowadze dla danych warunków. Porównanie Q i K jest bardziej precyzyjne niż zgadywanie kierunku na podstawie samej obecności dużej ilości jednego składnika.

Le Châtelier jest skrótem, nie osobnym prawem energii

Dodanie reagenta, usunięcie produktu albo zmiana ciśnienia może zaburzyć Q względem K; układ następnie zmienia skład, aż znów osiągnie Q = K. To daje ilościową podstawę popularnej zasady Le Châteliera.

Dla reakcji gazowych zmiana objętości ma znaczenie wtedy, gdy zmienia aktywności i liczby moli gazu po obu stronach. Dodanie obojętnego gazu przy stałej objętości nie zawsze powoduje prostą „ucieczkę od ciśnienia”.

Temperatura zmienia K, katalizator nie

Zmiana temperatury zmienia energetykę i dlatego wartość K. Dla reakcji endotermicznej wzrost temperatury zwykle zwiększa udział produktów; dla egzotermicznej typowo działa przeciwnie.

Katalizator obniża barierę kinetyczną zarówno dla kierunku w przód, jak i wstecz. Przyspiesza osiągnięcie równowagi, ale nie zmienia K ani końcowego składu równowagowego przy tej samej temperaturze.

Stężenie jest często tylko przybliżeniem aktywności

W rozcieńczonych roztworach szkolnych często zastępujemy aktywność stężeniem podzielonym przez stan standardowy. W roztworach stężonych i elektrolitach oddziaływania między cząstkami powodują odchylenia; wtedy współczynniki aktywności są potrzebne do ilościowego opisu K.

To rozróżnienie wyjaśnia, dlaczego stała równowagi jest termodynamicznie bezwymiarowa, choć proste szkolne wzory mogą wyglądać jak potęgi stężeń z jednostkami. Model stężeniowy jest użyteczny w swoim zakresie, ale nie należy nadawać mu większej dokładności niż mają jego założenia.

Przykłady rozwiązane