Изабери решење задатка:

Задатак 1 (бесплатан)

Кратко решење

Повратне реакције

Повратне (реверзибилне) реакције су реакције код којих се, при истим условима и у истом тренутку, реакција дешава у оба смера: реактанти дају производе (директна реакција), а производи се разлажу на реактанте (повратна реакција).\[ \text{H}_2\text{(g)} + \text{I}_2\text{(g)} \rightleftharpoons 2\text{HI(g)} \]

Хемијска равнотежа

Хемијска равнотежа је стање у коме се при константној температури изједначе брзине директне и повратне реакције:\[ v_1 = v_2 \]У равнотежи су концентрације свих учесника реакције константне (не морају бити једнаке). Равнотежа је динамичка јер се обе реакције дешавају и даље, истим брзинама.

Детаљно решење

Корак 1: Повратне реакције

У већини реакција производи могу, при истим условима и у истом тренутку, међусобно реаговати. Због тога се реакција дешава у оба смера истовремено. Такве реакције су повратне (реверзибилне) реакције. У једначини повратне реакције користе се две стрелице супротних смерова. Пример је реакција водоника и јода: \[ \text{H}_2\text{(g)} + \text{I}_2\text{(g)} \rightleftharpoons 2\text{HI(g)} \] Реакција удесно (настајање јодоводоника) је директна реакција, а реакција улево (разлагање јодоводоника) је повратна реакција. За разлику од њих, код неповратних реакција производи се при датим условима не могу претворити у реактанте. Пример је сагоревање угљеника: \[ \text{C(g)} + \text{O}_2\text{(g)} \longrightarrow \text{CO}_2\text{(g)} \]

Корак 2: Успостављање хемијске равнотеже

На почетку су у суду присутни само реактанти (\( \text{H}_2 \) и \( \text{I}_2 \)):
  • концентрације реактаната су највеће, па је и брзина директне реакције \( v_1 \) највећа, а брзина повратне реакције \( v_2 = 0 \);
  • у току реакције \( v_1 \) опада јер се концентрације реактаната смањују, а \( v_2 \) расте јер расте концентрација јодоводоника;
  • у једном тренутку се брзине изједначе: \( v_1 = v_2 \).

Корак 3: Хемијска равнотежа

Хемијска равнотежа настаје када се при одређеној константној температури изједначе брзине директне и повратне реакције: \[ v_1 = v_2 \] У стању равнотеже концентрације свих супстанци су константне (не мењају се док на систем не делује спољашњи фактор), али не морају бити једнаке. Те концентрације су равнотежне концентрације. Хемијска равнотежа је динамичка равнотежа јер се и директна и повратна реакција дешавају и после успостављања равнотеже, истим брзинама.

Кратак запис решења:

Повратне реакције: реакције које се дешавају у оба смера истовремено (\( \text{H}_2 + \text{I}_2 \rightleftharpoons 2\text{HI} \)). Хемијска равнотежа: стање при константној температури када је \( v_1 = v_2 \). Концентрације су константне, а равнотежа је динамичка.

Најважније из лекције

Повратне реакције се истовремено одвијају у два смера: директном (\(v_1\)) и повратном (\(v_2\)).
Хемијска равнотежа настаје када се брзине изједначе: \(v_1 = v_2\). Она је динамичка (реакције не стају) и при њој су концентрације свих учесника сталне.
Закон о дејству маса: За \(a\text{A} + b\text{B} \rightleftharpoons c\text{C} + d\text{D}\), израз за константу је \(K = \frac{[\text{C}]^c [\text{D}]^d}{[\text{A}]^a [\text{B}]^b}\). Супстанце у чврстом стању \(\text{(s)}\) се изостављају.
Значење константе \(K\): Зависи искључиво од температуре. Ако је \(K > 1\), равнотежа је померена ка производима (удесно); ако је \(K < 1\), равнотежа је померена ка реактантима (улево).
Неповратне (иреверзибилне) реакције су хемијски процеси који се одвијају само у једном смеру, све док се потпуно не потроши барем један од реактаната. Настали производи се при датим условима не могу поново претворити у реактанте (нпр. сагоревање угљеника).
\[ \text{C(s)} + \text{O}_2\text{(g)} \longrightarrow \text{CO}_2\text{(g)} \]
Повратне (реверзибилне) реакције су хемијски процеси у којима производи реакције истовремено међусобно реагују и поново дају полазне реактанте. Одвијају се у оба смера и означавају са две супротне стрелице (\(\rightleftharpoons\)).
\[ \text{H}_2\text{(g)} + \text{I}_2\text{(g)} \xrightleftharpoons[\text{повратна }(v_2)]{\text{директна }(v_1)} 2\text{HI(g)} \] \(v_1\) – брзина директне реакције (смер удесно); \(v_2\) – брзина повратне реакције (смер улево).
Хемијска равнотежа је стање реверзибилног система у којем се брзина директне реакције изједначава са брзином повратне реакције (\(v_1 = v_2\)) при константној температури.
Хемијска равнотежа је динамичка равнотежа јер се хемијске реакције у оба смера и даље непрекидно одвијају, али истим брзинама.
У стању равнотеже концентрације свих учесника реакције постају константне (не мењају се током времена), али то не значи да су концентрације реактаната и производа међусобно једнаке!
График зависности брзине хемијске реакције од времена.
Дефинисати две осе: хоризонтална X-оса као 'Време ($t$)', и вертикална Y-оса као 'Брзина реакције ($v$)'. Координатни почетак је (0,0).

Нацртати криву брзине директне реакције ($v_1$):
Почиње од максималне вредности на Y-оси у $t=0$.
Опада експоненцијално током времена.

Нацртати криву брзине повратне реакције ($v_2$):
Почиње од нуле у координатном почетку (0,0).
Расте током времена.

Обе криве се секу у једној тачки $(t_{eq}, v_{eq})$. Време ове тачке означити као '$t_{eq}$' на X-оси, а брзину као '$v_{eq}$' на Y-оси.
Након тачке пресека, криве $v_1$ и $v_2$ се спајају у једну хоризонталну праву линију која се простире удесно.
Ова хоризонтална линија представља стање хемијске равнотеже, где је $v_1 = v_2$.
Јасно означити криве $v_1$ и $v_2$, као и област хемијске равнотеже.'
Присутни су само реактанти; њихове концентрације су максималне, па је брзина директне реакције (\(v_1\)) највећа, док је брзина повратне реакције једнака нули (\(v_2 = 0\)).
Како реакција тече, концентрације реактаната опадају (\(v_1\) се смањује), а концентрације производа расту (\(v_2\) се повећава).
Брзине се изједначавају (\(v_1 = v_2\)), а концентрације свих супстанци у суду постају сталне (равнотежне концентрације).
Константа равнотеже (\(K\)) представља однос константи брзина директне и повратне реакције (\(K = \frac{k_1}{k_2}\)), односно однос производа равнотежних концентрација производа и реактаната, где је свака концентрација степенована одговарајућим стехиометријским коефицијентом.
За општу повратну реакцију: \[ a\text{A} + b\text{B} \rightleftharpoons c\text{C} + d\text{D} \] Израз за константу равнотеже гласи: \[ K = \frac{[\text{C}]^c \cdot [\text{D}]^d}{[\text{A}]^a \cdot [\text{B}]^b} \] \([\text{A}], [\text{B}], [\text{C}], [\text{D}]\) представљају равнотежне концентрације изражене у \(\text{mol/dm}^3\).
Хетерогене реакције: Концентрације супстанци у чврстом агрегатном стању \(\text{(s)}\) су константне и не улазе у израз за константу равнотеже (узима се да је њихова вредност 1).
Примери писања израза за константу равнотеже:
1. Хомогени гасни систем: \[ \text{N}_2\text{O}_4\text{(g)} \rightleftharpoons 2\text{NO}_2\text{(g)} \implies K = \frac{[\text{NO}_2]^2}{[\text{N}_2\text{O}_4]} \] 2. Хетерогени систем са чврстом супстанцом: \[ \text{CaCO}_3\text{(s)} \rightleftharpoons \text{CaO(s)} + \text{CO}_2\text{(g)} \implies K = [\text{CO}_2] \] 3. Реакција у воденом раствору са металном фазом: \[ 2\text{Ag}^+\text{(aq)} + \text{Zn(s)} \rightleftharpoons 2\text{Ag(s)} + \text{Zn}^{2+}\text{(aq)} \implies K = \frac{[\text{Zn}^{2+}]}{[\text{Ag}^+]^2} \]
Константа равнотеже (\(K\)) је карактеристична величина за сваку реакцију и њена вредност зависи искључиво од температуре. Не зависи од почетних концентрација супстанци.
Вредност \(K\) Однос концентрација Положај равнотеже
\(K > 1\) \([\text{производи}] > [\text{реактанти}]\) Равнотежа је померена удесно (ка производима).
\(K < 1\) \([\text{производи}] < [\text{реактанти}]\) Равнотежа је померена улево (ка реактантима).
\(K = 1\) \([\text{производи}] \approx [\text{реактанти}]\) Концентрације реактаната и производа су приближно једнаке.
Веза између почетних концентрација (\(c_0\)), промене концентрација током реакције (\(\Delta c\)) и равнотежних концентрација (\(c_r\)) прати стехиометријске коефицијенте једначине.
За реактанте: \([R]_r = [R]_0 - \Delta [R]\)
За производе: \([P]_r = [P]_0 + \Delta [P]\)
За реакцију \(3\text{H}_2\text{(g)} + \text{N}_2\text{(g)} \rightleftharpoons 2\text{NH}_3\text{(g)}\), промене концентрација \(\Delta c\) морају бити у молском односу \(3 : 1 : 2\).

Задаци за вежбање

Задатак 1 (лак): Напиши изразе за константу хемијске равнотеже за следеће реакције:
а) \(3\text{H}_2\text{(g)} + \text{N}_2\text{(g)} \rightleftharpoons 2\text{NH}_3\text{(g)}\)
б) \(2\text{CO(g)} + \text{O}_2\text{(g)} \rightleftharpoons 2\text{CO}_2\text{(g)}\)
в) \(\text{C(s)} + \text{CO}_2\text{(g)} \rightleftharpoons 2\text{CO(g)}\)
а) \(K = \frac{[\text{NH}_3]^2}{[\text{H}_2]^3 \cdot [\text{N}_2]}\)
б) \(K = \frac{[\text{CO}_2]^2}{[\text{CO}]^2 \cdot [\text{O}_2]}\)
в) Пошто је угљеник у чврстом агрегатном стању \(\text{C(s)}\), његова концентрација се не пише у изразу: \[ K = \frac{[\text{CO}]^2}{[\text{CO}_2]} \]
Задатак 2 (средњи): У суду одређене запремине успостављена је равнотежа за реакцију: \[ \text{H}_2\text{(g)} + \text{F}_2\text{(g)} \rightleftharpoons 2\text{HF(g)} \] Ако су равнотежне концентрације \([\text{H}_2]_r = 0{,}47\text{ mol/dm}^3\), \([\text{F}_2]_r = 0{,}47\text{ mol/dm}^3\) и \([\text{HF}]_r = 5{,}06\text{ mol/dm}^3\), израчунај почетне концентрације водоника и флуора (сматрајући да на почетку није било \(\text{HF}\)).
1. Корак: На основу настале равнотежне количине \(\text{HF}\) одређујемо колико је реактаната изреаговало према стехиометријском односу \(1 : 1 : 2\): \[ \Delta [\text{HF}] = 5{,}06\text{ mol/dm}^3 \] \[ \Delta [\text{H}_2] = \frac{5{,}06}{2} = 2{,}53\text{ mol/dm}^3 \] \[ \Delta [\text{F}_2] = \frac{5{,}06}{2} = 2{,}53\text{ mol/dm}^3 \] 2. Корак: Рачунамо почетне концентрације: \[ [\text{H}_2]_0 = [\text{H}_2]_r + \Delta [\text{H}_2] = 0{,}47\text{ mol/dm}^3 + 2{,}53\text{ mol/dm}^3 = 3{,}00\text{ mol/dm}^3 \] \[ [\text{F}_2]_0 = [\text{F}_2]_r + \Delta [\text{F}_2] = 0{,}47\text{ mol/dm}^3 + 2{,}53\text{ mol/dm}^3 = 3{,}00\text{ mol/dm}^3 \] Одговор: Почетне концентрације \(\text{H}_2\) и \(\text{F}_2\) износиле су по \(3{,}00\text{ mol/dm}^3\).
Задатак 3 (средњи/тежи): Израчунај вредност константе равнотеже за реакцију: \[ 2\text{NO(g)} + 2\text{H}_2\text{(g)} \rightleftharpoons \text{N}_2\text{(g)} + 2\text{H}_2\text{O(g)} \] ако су у стању равнотеже измерене следеће концентрације: \([\text{NO}] = 8{,}1 \cdot 10^{-3}\text{ mol/dm}^3\), \([\text{H}_2] = 4{,}1 \cdot 10^{-5}\text{ mol/dm}^3\), \([\text{N}_2] = 5{,}3 \cdot 10^{-2}\text{ mol/dm}^3\) и \([\text{H}_2\text{O}] = 2{,}9 \cdot 10^{-3}\text{ mol/dm}^3\).
1. Корак: Пишемо израз за константу равнотеже: \[ K = \frac{[\text{N}_2] \cdot [\text{H}_2\text{O}]^2}{[\text{NO}]^2 \cdot [\text{H}_2]^2} \] 2. Корак: Убацујемо бројне вредности: \[ K = \frac{(5{,}3 \cdot 10^{-2}) \cdot (2{,}9 \cdot 10^{-3})^2}{(8{,}1 \cdot 10^{-3})^2 \cdot (4{,}1 \cdot 10^{-5})^2} \] \[ K = \frac{5{,}3 \cdot 10^{-2} \cdot 8{,}41 \cdot 10^{-6}}{6{,}561 \cdot 10^{-5} \cdot 1{,}681 \cdot 10^{-9}} = \frac{4{,}457 \cdot 10^{-7}}{1{,}103 \cdot 10^{-13}} \approx 4{,}04 \cdot 10^6 \] Одговор: Вредност константе равнотеже износи \(K \approx 4{,}04 \cdot 10^6\). Пошто је \(K \gg 1\), равнотежа је изразито померена ка стварању производа.
Задатак 4 (тежак): У затвореном суду запремине \(1\text{ dm}^3\) налази се динитроген-тетроксид \(\text{N}_2\text{O}_4\) почетне концентрације \(0{,}2\text{ mol/dm}^3\). До успостављања равнотеже према једначини \(\text{N}_2\text{O}_4\text{(g)} \rightleftharpoons 2\text{NO}_2\text{(g)}\) разложило се \(40\%\) почетне количине \(\text{N}_2\text{O}_4\). Израчунај равнотежне концентрације обе супстанце и вредност константе равнотеже \(K\).
1. Корак: Рачунамо промену концентрације \(\text{N}_2\text{O}_4\): \[ \Delta [\text{N}_2\text{O}_4] = 40\% \text{ од } 0{,}2\text{ mol/dm}^3 = 0{,}40 \cdot 0{,}2 = 0{,}08\text{ mol/dm}^3 \] 2. Корак: Одређујемо равнотежне концентрације: \[ [\text{N}_2\text{O}_4]_r = [\text{N}_2\text{O}_4]_0 - \Delta [\text{N}_2\text{O}_4] = 0{,}2 - 0{,}08 = 0{,}12\text{ mol/dm}^3 \] Према стехиометрији реакције, од \(1\text{ mol}\) \(\text{N}_2\text{O}_4\) настаје \(2\text{ mol}\) \(\text{NO}_2\): \[ [\text{NO}_2]_r = 2 \cdot \Delta [\text{N}_2\text{O}_4] = 2 \cdot 0{,}08 = 0{,}16\text{ mol/dm}^3 \] 3. Корак: Израчунавамо константу равнотеже \(K\): \[ K = \frac{[\text{NO}_2]^2}{[\text{N}_2\text{O}_4]} = \frac{(0{,}16)^2}{0{,}12} = \frac{0{,}0256}{0{,}12} \approx 0{,}213 \] Одговор: \([\text{N}_2\text{O}_4]_r = 0{,}12\text{ mol/dm}^3\), \([\text{NO}_2]_r = 0{,}16\text{ mol/dm}^3\), а константа равнотеже износи \(K \approx 0{,}213\).

Савладај
домаћи
уз хиљаде решења, лекција и тестова: