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).
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!
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: \[ 2\text{Ag}^+\text{(aq)} + \text{Zn(s)} \rightleftharpoons 2\text{Ag(s)} + \text{Zn}^{2+}\text{(aq)} \implies K = \frac{[\text{Zn}^{2+}]}{[\text{Ag}^+]^2} \]
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 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) \(3\text{H}_2\text{(g)} + \text{N}_2\text{(g)} \rightleftharpoons 2\text{NH}_3\text{(g)}\)
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: \[ K = \frac{[\text{CO}]^2}{[\text{CO}_2]} \]
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 \(K \approx 0{,}213\).
