Równowaga chemiczna — zasada Le Chateliera oraz Kc i Kp

Równowaga chemiczna to stan reakcji odwracalnej, w którym reakcja w przód i reakcja wstecz zachodzą z taką samą szybkością, więc ogólny skład układu przestaje się zmieniać. Nie oznacza to, że ilości po obu stronach są równe. W większości zadań z chemii na poziomie podstawowym najważniejszymi narzędziami są $Kc$, $Kp$ oraz zasada Le Chateliera.

Jeśli chcesz ustalić, czy w równowadze uprzywilejowane są produkty czy substraty, zapisz wyrażenie stałej równowagi. Jeśli chcesz przewidzieć kierunek zmiany, użyj zasady Le Chateliera albo porównaj $Q$ z $K$.

Równowaga chemiczna oznacza równe szybkości, a nie równe ilości

Rozważ reakcję odwracalną:

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

W stanie równowagi szybkość reakcji w przód jest równa szybkości reakcji wstecz. Dlatego ilości $A$, $B$, $C$ i $D$ przestają się zmieniać w czasie.

Nie oznacza to, że ich ilości są równe. Układ może być w równowadze, gdy przeważają substraty, gdy przeważają produkty albo gdy mieszanina jest bardziej wyrównana. Warunkiem są równe szybkości, a nie podział 50–50.

Jak zapisać wyrażenie na $Kc$

$Kc$ to stała równowagi zapisana za pomocą stężeń, zwykle w $\mathrm{mol/L}$ w chemii na poziomie podstawowym.

Dla ogólnej reakcji powyżej:

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

W wyrażeniu uwzględnia się tylko te substancje, których stężenia mogą się istotnie zmieniać w mieszaninie. W standardowym ujęciu szkolnym pomija się czyste ciała stałe i czyste ciecze, ponieważ ich aktywności traktuje się jako stałe.

Wartość $Kc$ daje szybkie wyobrażenie o położeniu równowagi:

• Jeśli $Kc \gg 1$, w równowadze uprzywilejowane są produkty.
• Jeśli $Kc \ll 1$, w równowadze uprzywilejowane są substraty.
• Jeśli $Kc$ jest bliskie $1$, żadna ze stron nie jest wyraźnie uprzywilejowana.

To tylko ogólna wskazówka. Aby poprawnie rozwiązać rzeczywiste zadanie, nadal potrzebujesz właściwego wyrażenia i poprawnych wykładników.

Kiedy zamiast tego używać $Kp$

$Kp$ to stała równowagi dla równowag gazowych zapisana za pomocą ciśnień cząstkowych:

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

Używaj $Kp$, gdy reakcja jest opisana za pomocą ciśnień cząstkowych gazów. Jeśli reakcja nie zawiera gazów, $Kp$ zwykle nie jest naturalnym wyborem.

Dla równowag gazowych $Kc$ i $Kp$ są powiązane zależnością

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

gdzie $\Delta n_{\mathrm{gas}}$ wynosi

$$\Delta n_{\mathrm{gas}} = \text{liczba moli gazowych produktów} - \text{liczba moli gazowych substratów}$$

Ta zależność dotyczy równowag w fazie gazowej w typowej postaci wprowadzającej. Jeśli nie ma gazów, $\Delta n_{\mathrm{gas}}$ nie jest tu najważniejszym narzędziem.

Przykład: wyznaczanie $Kc$ dla $N_2O_4(g) \rightleftharpoons 2NO_2(g)$

Załóżmy, że mieszanina w stanie równowagi w pewnej temperaturze ma

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

Wtedy

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

Zatem w tej temperaturze równowaga jest przesunięta w stronę substratów, ponieważ $Kc < 1$. Najważniejsze nie jest zapamiętanie liczby. Trzeba zauważyć, że współczynnik $2$ przed $NO_2$ staje się wykładnikiem w wyrażeniu stałej równowagi.

Dla tej samej reakcji $\Delta n_{\mathrm{gas}} = 2 - 1 = 1$, więc

$$Kp = Kc(RT)$$

To pokazuje, jak dla tej reakcji gazowej są ze sobą powiązane postać stężeniowa i postać ciśnieniowa.

Jak zasada Le Chateliera przewiduje przesunięcie

Zasada Le Chateliera służy do określania kierunku zmian. Jeśli układ będący w stanie równowagi zostanie zaburzony, położenie równowagi przesuwa się w kierunku, który częściowo przeciwdziała temu zaburzeniu.

Odpowiada ona na pytanie: „w którą stronę układ się przesunie?”. Nie mówi natomiast, jakie będą dokładne nowe ilości w stanie równowagi.

Zmiany stężenia

Dodanie substratu zwykle przesuwa równowagę w stronę produktów. Dodanie produktu zwykle przesuwa ją w stronę substratów. Usunięcie danej substancji zwykle powoduje przesunięcie równowagi w kierunku odtworzenia części tego, co usunięto.

Ten skrót myślowy dotyczy tylko substancji, które występują w wyrażeniu stałej równowagi. Sama zmiana ilości czystego ciała stałego nie wywołuje takiej samej reguły przesunięcia opartej na stężeniu.

Zmiany ciśnienia lub objętości

Typowa reguła dotycząca ciśnienia ma znaczenie dla równowag gazowych. Jeśli objętość maleje, ciśnienie rośnie, a równowaga zwykle przesuwa się w stronę z mniejszą liczbą moli gazu. Jeśli objętość rośnie, przesunięcie zwykle następuje w stronę z większą liczbą moli gazu.

Jeśli po obu stronach jest taka sama łączna liczba moli gazu, ta reguła przewiduje brak przesunięcia przy samej zmianie objętości.

Zmiany temperatury

Temperatura jest inna, ponieważ może zmieniać samą wartość stałej równowagi.

Traktuj ciepło jako część reakcji. Dla egzotermicznej reakcji w przód ciepło zachowuje się jak produkt. Dla endotermicznej reakcji w przód ciepło zachowuje się jak substrat. Dlatego wzrost temperatury może sprzyjać przeciwnym kierunkom w różnych reakcjach.

Katalizatory

Katalizator pomaga układowi szybciej osiągnąć stan równowagi, ale sam z siebie nie zmienia położenia równowagi.

Użyj $Q$ i $K$, aby przewidzieć kierunek zmian

Jeśli podstawisz aktualne stężenia lub ciśnienia do tego samego wyrażenia przed osiągnięciem równowagi, otrzymany wynik nazywa się ilorazem reakcyjnym, $Q$.

• Jeśli $Q < K$, układ ma tendencję do przesuwania się w prawo.
• Jeśli $Q > K$, układ ma tendencję do przesuwania się w lewo.
• Jeśli $Q = K$, układ jest w stanie równowagi.

To często jest bardziej wiarygodne niż nieprecyzyjna intuicja typu „sprzyja produktom” albo „sprzyja substratom”, ponieważ opiera się na rzeczywistym wyrażeniu.

Najczęstsze błędy w zadaniach o równowadze chemicznej

Mylenie równych szybkości z równymi ilościami

W stanie równowagi szybkości są równe. Stężenia nie muszą być równe.

Zapominanie, że współczynniki stają się wykładnikami

W $Kc$ lub $Kp$ współczynniki stechiometryczne stają się wykładnikami. Jeśli w równaniu zbilansowanym występuje $2NO_2$, to w wyrażeniu pojawia się $[NO_2]^2$ albo $(P_{NO_2})^2$.

Uwzględnianie czystych ciał stałych lub czystych cieczy w wyrażeniu

W standardowych szkolnych wyrażeniach równowagi czyste ciała stałe i czyste ciecze się pomija.

Traktowanie zasady Le Chateliera jak kalkulatora

Zasada Le Chateliera wiarygodnie podaje kierunek zmian. Nie daje dokładnych końcowych ilości.

Zakładanie, że każda zmiana zmienia $K$

Przy stałej temperaturze zmiana stężenia, ciśnienia lub objętości może przesunąć położenie równowagi, ale nie zmienia wartości $K$. Głównym wyjątkiem w chemii szkolnej są zmiany temperatury.

Gdzie wykorzystuje się równowagę chemiczną

Równowaga chemiczna pojawia się w całej chemii: w reakcjach gazowych, układach kwas-zasada, rozpuszczalności, tworzeniu jonów kompleksowych i projektowaniu procesów przemysłowych. Ma znaczenie wszędzie tam, gdzie reakcja może zachodzić w obu kierunkach, a końcowy skład zależy od warunków.

Łączy też pojęcia, których uczniowie często uczą się osobno. Kinetyka wyjaśnia, jak szybko układ się zmienia. Równowaga wyjaśnia stan, do którego układ dochodzi w danej temperaturze.

Spróbuj podobnego zadania z równowagi

Wykonaj te same kroki dla reakcji

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

Najpierw zapisz wyrażenie na $Kc$. Następnie zastanów się, co się stanie, jeśli dodasz więcej $HI$ albo jeśli sprężysz układ. To drugie pytanie jest dobrym sprawdzianem, ponieważ łączna liczba moli gazu po obu stronach jest taka sama, więc typowa reguła ciśnieniowa przewiduje brak przesunięcia.