Mi a kémiai egyensúly?
A legtöbb reakció egyszerre mindkét irányban fut. Az előre haladó molekulák termékekké állnak össze, miközben a termékmolekulák visszahasadnak, és amikor a két sebesség pontosan kiegyenlíti egymást, a koncentrációk az egyensúlyi értékeken rögzülnek — nem azért, mert bármi leállt volna, hanem mert minden változást olyan gyorsan visszafordítanak, ahogy bekövetkezik. Ezt a rögzült arányt egyetlen szám, az egyensúlyi állandó K rögzíti: a termékek koncentrációi az együtthatóik hatványára emelve, osztva a reagensek hasonló hatványaival. A Haber-reakcióra, N2 + 3H2 = 2NH3, Kc = [NH3]2/([N2][H2]3). A K egy húzóerő-mérleg pontszáma: ha sokkal nagyobb 1-nél, a termékek nyernek, ha sokkal kisebb, a reagensek.
Az egy megjegyzendő szabály: csak a hőmérséklet változtatja a K-t. A koncentráció, a nyomás és a katalizátor eltolhatja az egyensúly helyzetét — az állandó értékét soha nem mozdítják el.
Kc, Kp és az őket összekötő híd
Ha minden oldott, a K koncentrációkat használ (Kc); gázoknál a parciális nyomások is működnek (Kp). Ugyanazok az állandók más ruhában, a Kp = Kc(RT)Δn összefüggéssel, ahol Δn a termékoldali gázmolekulák és a reagensoldali gázmolekulák különbsége. A Haber-reakcióra Δn = 2−4 = −2, így Kp lényegesen kisebb, mint Kc: a minta 500 K-en Kc = 4,0 mellett Kp = 2,4×10−3 értéket számol. A termodinamika a másik oldalról zárja a kört: ΔG° = −RT ln K, így a Gibbs-panelben ΔG° = −10 kJ/mol K ≈ 57-et ad (a termékek kedveznek) — a kis szabadenergia-előny már nagy arány.
ICE-táblázatok: a megközelítés könyvelése
Ahhoz, hogy megjósoljuk, hol köt ki a reakció, három sort kell felírni: Inicializált koncentrációk, Csere (változás) ±együtthatók·x, Egyensúlyi, amelyek ezek összege. Ezután x-re kell megoldani. Az ICE-minta N2 + 3H2 reakciót indít 1,0 és 3,0 M kezdeti koncentrációval, ammónia nélkül és Kc = 4,0 mellett; a megoldó x ≈ 0,65-öt talál, így egyensúlyban nagyjából 0,35 M N2, 1,06 M H2 és 1,29 M NH3 van jelen — ezeket visszahelyettesítve Kc = 4,0-t kapunk, éppen az, amit a panel ellenőrzésként kiír. A tankönyvek megengedik az „x kicsi” rövidítést, ha 5%-nál kevesebb reagál; ez az oldal ehelyett a teljes egyenletet felezéses módszerrel oldja meg, így nincs szükség ilyen feltevésre.
Q vs K: merre tovább?
A reakcióhányados Q a K képlete arra a koncentrációkra alkalmazva, amelyek éppen most léteznek, az egyensúly előtt. Összehasonlításuk megadja az irányt: Q < K, előre; Q > K, visszafelé; Q = K, már ott vagyunk. A Q-minta drámai eset: Kc = 4,0 mellett Q = 4×104, a keverék a termékekben úszik, és a reakció erősen visszafelé fut. A Q az, amellyel a kémikus a javasolt keverék irányát megjósolja mielőtt összekeverné, és amellyel a szervezet eldönti például, hogy a hemoglobin megköti vagy leadja az oxigént.
Le Chatelier: a feszültség szabálya
Ha egy egyensúlyt megzavarunk, az eltolódik, hogy enyhítse a zavart. Reagens hozzáadása → fogyaszt belőle; termék elvétele → több képződik; gázkeverék összenyomása → a kevesebb gázmolekulát tartalmazó oldal felé tolódik; melegítése → az endoterm irányba tolódik. Figyeljük meg a kulcsdoboz apró betűs részét: a hőmérséklet az egyetlen feszültség, amely a K-t változtatja (újraértékeli az egész húzóerő-mérleget), míg a nyomás és a koncentráció csak újrapozícionálja. A katalizátor egyiket sem változtatja — az előre és a visszafelé irányt egyformán gyorsítja, így az egyensúly gyorsabban érkezik, de pontosan ugyanoda. A Haber-eljárás az ipari bemutató: 4 gázmolekulából 2 lesz, így a nagy nyomás az NH3 felé hajtja, míg a hőmérséklet a hozamot és a sebességet cserélgeti.
Gyakori tévhitek
- Az egyensúly azt jelenti, hogy a reakció leállt. Mindkét irány teljes sebességgel tovább fut; csak a nettó változás nulla.
- A reagens hozzáadása növeli a K-t. Átmenetileg előre tolja a helyzetet és a Q-t, majd a rendszer visszatér ugyanarra a K-ra. Csak a hőmérséklet mozdítja a K-t.
- A katalizátor növeli a hozamot. Az egyensúly eléréséhez szükséges időt változtatja, helyét soha. Az ipari hozamokat a hőmérséklet, a nyomás és a termék folyamatos eltávolítása mozgatja.
- Egyensúlyban a reagens- és termékkoncentrációk egyenlők. Az egyenlő koncentrációk csak K = 1-et jelentenek, semmi többet. A mintában K = 4,0: a termékek már négyszeresen kedvezőbbek, mégsem egyenlők nyilvánvalóan.
Kapcsolódó eszközök: a Sav-bázis és pH (a Ka és Kb egyensúlyi állandók), a Termokémia (ahonnan a ΔG és a K származik), és a Kinetika (a sebességek, amelyek meghatározzák, milyen gyorsan érkezik meg az egyensúly).
