Χημική Ισορροπία — Αρχή Le Chatelier & Kc, Kp

Η χημική ισορροπία είναι η κατάσταση μιας αντιστρεπτής αντίδρασης όπου η προς τα εμπρός και η αντίστροφη αντίδραση συμβαίνουν με τον ίδιο ρυθμό, οπότε η συνολική σύσταση παύει να μεταβάλλεται. Αυτό δεν σημαίνει ότι οι ποσότητες στις δύο πλευρές είναι ίσες. Στα περισσότερα εισαγωγικά θέματα χημείας, τα βασικά εργαλεία είναι τα $Kc$, $Kp$ και η αρχή του Le Chatelier.

Αν χρειάζεται να αποφασίσεις αν ευνοούνται τα προϊόντα ή τα αντιδρώντα, γράψε την έκφραση ισορροπίας. Αν χρειάζεται να προβλέψεις την κατεύθυνση μιας μεταβολής, χρησιμοποίησε την αρχή του Le Chatelier ή σύγκρινε το $Q$ με το $K$.

Η Χημική Ισορροπία Σημαίνει Ίσους Ρυθμούς, Όχι Ίσες Ποσότητες

Θεώρησε μια αντιστρεπτή αντίδραση:

$$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$$

Στην ισορροπία, ο ρυθμός της προς τα εμπρός αντίδρασης είναι ίσος με τον ρυθμό της αντίστροφης. Γι’ αυτό οι ποσότητες των $A$, $B$, $C$ και $D$ παύουν να αλλάζουν με τον χρόνο.

Αυτό δεν σημαίνει ότι οι ποσότητες είναι ίσες. Ένα σύστημα μπορεί να βρίσκεται σε ισορροπία με κυρίως αντιδρώντα, κυρίως προϊόντα ή με πιο ισοκατανεμημένο μίγμα. Η συνθήκη είναι οι ίσοι ρυθμοί, όχι κατανομή 50-50.

Πώς Να Γράψεις Την Έκφραση Του $Kc$

Το $Kc$ είναι η σταθερά ισορροπίας γραμμένη με συγκεντρώσεις, συνήθως σε $\mathrm{mol/L}$ στην εισαγωγική χημεία.

Για τη γενική αντίδραση παραπάνω,

$$Kc = \frac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b}$$

Στην έκφραση ανήκουν μόνο τα είδη των οποίων οι συγκεντρώσεις μπορούν να μεταβληθούν ουσιαστικά στο μίγμα. Στη συνήθη εισαγωγική προσέγγιση, τα καθαρά στερεά και τα καθαρά υγρά παραλείπονται επειδή οι ενεργότητές τους θεωρούνται σταθερές.

Το μέγεθος του $Kc$ δίνει μια γρήγορη εικόνα για το πού βρίσκεται η ισορροπία:

• Αν $Kc \gg 1$, στην ισορροπία ευνοούνται τα προϊόντα.
• Αν $Kc \ll 1$, στην ισορροπία ευνοούνται τα αντιδρώντα.
• Αν το $Kc$ είναι κοντά στο $1$, καμία πλευρά δεν ευνοείται έντονα.

Αυτό δείχνει μόνο μια τάση. Για να λύσεις ένα πραγματικό πρόβλημα, χρειάζεσαι και τη σωστή έκφραση και τους σωστούς εκθέτες.

Πότε Να Χρησιμοποιήσεις Το $Kp$

Το $Kp$ είναι η σταθερά ισορροπίας για ισορροπίες αέριας φάσης, γραμμένη με μερικές πιέσεις:

$$Kp = \frac{(P_C)^c(P_D)^d}{(P_A)^a(P_B)^b}$$

Χρησιμοποίησε το $Kp$ όταν η αντίδραση περιγράφεται με όρους μερικών πιέσεων αερίων. Αν μια αντίδραση δεν περιέχει αέρια, το $Kp$ συνήθως δεν είναι η φυσική επιλογή.

Για αέριες ισορροπίες, τα $Kc$ και $Kp$ συνδέονται με τη σχέση

$$Kp = Kc(RT)^{\Delta n_{\mathrm{gas}}}$$

όπου το $\Delta n_{\mathrm{gas}}$ είναι

$$\Delta n_{\mathrm{gas}} = \text{moles of gaseous products} - \text{moles of gaseous reactants}$$

Αυτή η σχέση ισχύει για ισορροπίες αέριας φάσης στη συνήθη εισαγωγική μορφή. Αν δεν υπάρχουν αέρια, το $\Delta n_{\mathrm{gas}}$ δεν είναι το βασικό εργαλείο στο οποίο πρέπει να εστιάσεις.

Λυμένο Παράδειγμα: Εύρεση Του $Kc$ Για $N_2O_4(g) \rightleftharpoons 2NO_2(g)$

Υπόθεσε ότι ένα μίγμα ισορροπίας σε μία θερμοκρασία έχει

$$[N_2O_4] = 0.40 \text{ M}, \qquad [NO_2] = 0.20 \text{ M}$$

Τότε

$$Kc = \frac{[NO_2]^2}{[N_2O_4]} = \frac{(0.20)^2}{0.40} = 0.10$$

Άρα αυτή η ισορροπία ευνοεί τα αντιδρώντα σε αυτή τη θερμοκρασία, επειδή $Kc < 1$. Το σημαντικό βήμα δεν είναι να απομνημονεύσεις τον αριθμό. Είναι να προσέξεις ότι ο συντελεστής $2$ μπροστά από το $NO_2$ γίνεται εκθέτης στην έκφραση ισορροπίας.

Για την ίδια αντίδραση, $\Delta n_{\mathrm{gas}} = 2 - 1 = 1$, άρα

$$Kp = Kc(RT)$$

Αυτό δείχνει πώς συνδέονται η μορφή με συγκεντρώσεις και η μορφή με πιέσεις για αυτή την αέρια αντίδραση.

Πώς Η Αρχή Του Le Chatelier Προβλέπει Τη Μετατόπιση

Η αρχή του Le Chatelier είναι εργαλείο κατεύθυνσης. Αν ένα σύστημα σε ισορροπία διαταραχθεί, η θέση ισορροπίας μετατοπίζεται προς την κατεύθυνση που αντιτίθεται εν μέρει στη διαταραχή.

Απαντά στην ερώτηση «προς τα πού θα κινηθεί;». Δεν σου δίνει τις ακριβείς νέες ποσότητες στην ισορροπία.

Μεταβολές Συγκέντρωσης

Η προσθήκη ενός αντιδρώντος τείνει να μετατοπίζει την ισορροπία προς τα προϊόντα. Η προσθήκη ενός προϊόντος τείνει να τη μετατοπίζει προς τα αντιδρώντα. Η αφαίρεση ενός είδους τείνει να μετατοπίζει την ισορροπία προς την αναπλήρωση μέρους από αυτό που αφαιρέθηκε.

Αυτός ο σύντομος κανόνας ισχύει μόνο για τα είδη που παίζουν ρόλο στην έκφραση ισορροπίας. Η μεταβολή της ποσότητας ενός καθαρού στερεού από μόνη της δεν δημιουργεί τον ίδιο κανόνα μετατόπισης που βασίζεται στη συγκέντρωση.

Μεταβολές Πίεσης Ή Όγκου

Ο συνηθισμένος σύντομος κανόνας για την πίεση έχει σημασία στις αέριες ισορροπίες. Αν ο όγκος μειωθεί, η πίεση αυξάνεται και η ισορροπία τείνει να μετατοπιστεί προς την πλευρά με λιγότερα mol αερίου. Αν ο όγκος αυξηθεί, η μετατόπιση τείνει να είναι προς την πλευρά με περισσότερα mol αερίου.

Αν και οι δύο πλευρές έχουν τον ίδιο συνολικό αριθμό mol αερίου, αυτός ο κανόνας προβλέπει ότι δεν υπάρχει μετατόπιση μόνο λόγω μεταβολής του όγκου.

Μεταβολές Θερμοκρασίας

Η θερμοκρασία είναι διαφορετική επειδή μπορεί να αλλάξει την ίδια την τιμή της σταθεράς ισορροπίας.

Αντιμετώπισε τη θερμότητα ως μέρος της αντίδρασης. Για μια εξώθερμη προς τα εμπρός αντίδραση, η θερμότητα λειτουργεί σαν προϊόν. Για μια ενδόθερμη προς τα εμπρός αντίδραση, η θερμότητα λειτουργεί σαν αντιδρών. Γι’ αυτό η αύξηση της θερμοκρασίας μπορεί να ευνοεί αντίθετες κατευθύνσεις σε διαφορετικές αντιδράσεις.

Καταλύτες

Ένας καταλύτης βοηθά το σύστημα να φτάσει γρηγορότερα στην ισορροπία, αλλά δεν αλλάζει από μόνος του τη θέση ισορροπίας.

Χρησιμοποίησε Το $Q$ Σε Σύγκριση Με Το $K$ Για Να Προβλέψεις Την Κατεύθυνση

Αν βάλεις τις τρέχουσες συγκεντρώσεις ή πιέσεις στην ίδια έκφραση πριν επιτευχθεί η ισορροπία, το αποτέλεσμα ονομάζεται πηλίκο αντίδρασης, $Q$.

• Αν $Q < K$, το σύστημα τείνει να μετατοπιστεί προς τα δεξιά.
• Αν $Q > K$, το σύστημα τείνει να μετατοπιστεί προς τα αριστερά.
• Αν $Q = K$, το σύστημα βρίσκεται σε ισορροπία.

Αυτό είναι συχνά πιο αξιόπιστο από μια αόριστη διαίσθηση του τύπου «ευνοούνται τα προϊόντα» ή «ευνοούνται τα αντιδρώντα», επειδή χρησιμοποιεί την πραγματική έκφραση.

Συνηθισμένα Λάθη Σε Προβλήματα Χημικής Ισορροπίας

Σύγχυση Μεταξύ Ίσων Ρυθμών Και Ίσων Ποσοτήτων

Στην ισορροπία, οι ρυθμοί είναι ίσοι. Οι συγκεντρώσεις δεν χρειάζεται να είναι ίσες.

Ξεχνάς Ότι Οι Συντελεστές Γίνονται Εκθέτες

Στο $Kc$ ή στο $Kp$, οι συντελεστές γίνονται εκθέτες. Αν η εξισωμένη αντίδραση έχει $2NO_2$, η έκφραση χρησιμοποιεί $[NO_2]^2$ ή $(P_{NO_2})^2$.

Συμπερίληψη Καθαρών Στερεών Ή Καθαρών Υγρών Στην Έκφραση

Στις τυπικές εισαγωγικές εκφράσεις ισορροπίας, τα καθαρά στερεά και τα καθαρά υγρά παραλείπονται.

Χρήση Της Αρχής Του Le Chatelier Σαν Υπολογιστή

Η αρχή του Le Chatelier δίνει αξιόπιστα την κατεύθυνση. Δεν δίνει ακριβείς τελικές ποσότητες.

Υπόθεση Ότι Κάθε Μεταβολή Αλλάζει Το $K$

Σε σταθερή θερμοκρασία, η μεταβολή συγκέντρωσης, πίεσης ή όγκου μπορεί να μετατοπίσει τη θέση ισορροπίας, αλλά δεν αλλάζει την τιμή του $K$. Οι μεταβολές θερμοκρασίας είναι η βασική εξαίρεση στη χημεία αρχαρίων.

Πού Χρησιμοποιείται Η Χημική Ισορροπία

Η χημική ισορροπία εμφανίζεται σε όλη τη χημεία: σε αέριες αντιδράσεις, σε συστήματα οξέων-βάσεων, στη διαλυτότητα, στον σχηματισμό συμπλόκων ιόντων και στον σχεδιασμό βιομηχανικών αντιδράσεων. Έχει σημασία κάθε φορά που μια αντίδραση μπορεί να προχωρήσει και προς τις δύο κατευθύνσεις και η τελική σύσταση εξαρτάται από τις συνθήκες.

Συνδέει επίσης ιδέες που οι μαθητές συχνά μαθαίνουν χωριστά. Η κινητική εξηγεί πόσο γρήγορα μεταβάλλεται ένα σύστημα. Η ισορροπία εξηγεί την κατάσταση στην οποία καταλήγει σε δεδομένη θερμοκρασία.

Δοκίμασε Ένα Παρόμοιο Πρόβλημα Ισορροπίας

Δοκίμασε τα ίδια βήματα για την αντίδραση

$$H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2HI(g)$$

Πρώτα γράψε την έκφραση για το $Kc$. Έπειτα σκέψου τι συμβαίνει αν προσθέσεις περισσότερο $HI$ ή αν συμπιέσεις το δοχείο. Η δεύτερη ερώτηση είναι ένας χρήσιμος έλεγχος, επειδή ο συνολικός αριθμός mol αερίου είναι ο ίδιος και στις δύο πλευρές, οπότε ο συνηθισμένος κανόνας για την πίεση προβλέπει ότι δεν υπάρχει μετατόπιση.