Czym jest równowaga chemiczna?
Większość reakcji zachodzi w obu kierunkach naraz. Cząsteczki substratów łączą się w produkty, a cząsteczki produktów rozpadają się z powrotem, i gdy obie szybkości dokładnie się znoszą, stężenia zamierają na wartościach równowagowych — nie dlatego, że coś się zatrzymało, lecz dlatego, że każda zmiana jest cofana tak szybko, jak zachodzi. Ten zamrożony stosunek ujmuje jedna liczba, stała równowagi K: produkty podniesione do swoich współczynników, podzielone przez substraty podniesione do swoich. Dla reakcji Habera N2 + 3H2 = 2NH3 mamy Kc = [NH3]2/([N2][H2]3). K to wynik przeciągania liny: znacznie większy od 1 — wygrywają produkty, znacznie mniejszy — substraty.
Jedna reguła do zapamiętania: tylko temperatura zmienia K. Stężenie, ciśnienie i katalizatory mogą przesunąć położenie równowagi — nigdy nie zmieniają samej stałej.
Kc, Kp i most między nimi
Gdy wszystko jest rozpuszczone, K używa stężeń (Kc); dla gazów działają też ciśnienia cząstkowe (Kp). To ta sama stała w innych szatach, powiązana wzorem Kp = Kc(RT)Δn, gdzie Δn to liczba moli gazowych po stronie produktów minus po stronie substratów. Dla reakcji Habera Δn = 2−4 = −2, więc Kp jest znacznie mniejsze niż Kc: przy Kc = 4,0 w 500 K próbka oblicza Kp = 2,4×10−3. Termodynamika zamyka pętlę z drugiej strony: ΔG° = −RT ln K, więc ΔG° = −10 kJ/mol przelicza się na K ≈ 57 (produkty uprzywilejowane) w panelu enthalpii swobodnej — niewielka przewaga energii swobodnej to już duży stosunek.
Tabele ICE: księgowanie postępu reakcji
Aby przewidzieć, gdzie wyląduje reakcja, rozpisz trzy wiersze: Inicjalne stężenia, Chmiana jako ±współczynniki·x, E równowagowe jako ich suma. Następnie rozwiąż względem x. Próbka ICE zaczyna N2 + 3H2 przy 1,0 i 3,0 M bez amoniaku, z Kc = 4,0; solver znajduje x ≈ 0,65, więc w równowadze współistnieją około 0,35 M N2, 1,06 M H2 i 1,29 M NH3 — a podstawienie ich z powrotem odtwarza Kc = 4,0, czyli dokładnie to sprawdzenie, które wypisuje panel. Podręczniki dopuszczają skrót „x jest małe”, gdy przereagowuje mniej niż 5%; ta strona zamiast tego dzieli pełne równanie, więc takie założenie nie jest potrzebne.
Q a K: w którą stronę dalej?
Iloraz reakcji Q to wzór na K zastosowany do stężeń, które istnieją teraz, przed osiągnięciem równowagi. Ich porównanie wskazuje kierunek: Q < K — w przód; Q > K — wstecz; Q = K — już tam jesteśmy. Próbka Q to dramatyczny przypadek: przy Kc = 4,0, ale Q = 4×104, mieszanina tonie w produktach i reakcja biegnie mocno wstecz. Q to sposób, w jaki chemik przewiduje kierunek proponowanej mieszaniny przed jej zmieszaniem, i sposób, w jaki organizm decyduje na przykład, czy hemoglobina przyjmie, czy odda tlen.
Reguła Le Chateliera: zasada naprężenia
Zaburz równowagę, a przesunie się, by zniwelować zakłócenie. Dodaj substrat → zużyje część; usuń produkt → powstanie więcej; sprężaj mieszaninę gazów → przesunie się w stronę mniejszej liczby moli gazu; ogrzej ją → przesunie się w kierunku endotermicznym. Zwróć uwagę na drobny druk ukryty w polu klucza powyżej: temperatura to jedyne naprężenie, które zmienia samo K (przelicza całe przeciąganie liny), podczas gdy ciśnienie i stężenie tylko przemieszczają położenie. Katalizator nie zmienia żadnego z nich — przyspiesza w przód i wstecz tak samo, więc równowaga przychodzi szybciej, ale dokładnie w tym samym miejscu. Proces Habera to przemysłowy przykład: 4 cząsteczki gazu zamieniają się w 2, więc wysokie ciśnienie pcha w stronę NH3, a temperatura wymienia wydajność na szybkość.
Typowe nieporozumienia
- Równowaga oznacza, że reakcja się zatrzymała. Obie kierunki działają dalej z pełną szybkością; zerowa jest tylko wypadkowa zmiana.
- Dodanie substratu podnosi K. Przesuwa położenie do przodu i chwilowo Q, a potem układ wraca do tego samego K. Tylko temperatura zmienia K.
- Katalizator zwiększa wydajność. Zmienia czas dojścia do równowagi, nigdy jej położenia. Wydajności przemysłowe zmienia się temperaturą, ciśnieniem i ciągłym usuwaniem produktu.
- W równowadze stężenia substratów i produktów są równe. Równe stężenia oznaczają K = 1 i nic więcej. K = 4,0 w próbce: produkty są już czterokrotnie uprzywilejowane, a mimo to wyraźnie nie są równe.
Powiązane narzędzia: Kwasy i zasady oraz pH (Ka i Kb to stałe równowagi), Termochemia (skąd biorą się ΔG i K) oraz Kinetyka (szybkości, które decydują, jak szybko osiąga się równowagę).
