Најважније из лекције
Преглед утицаја спољашњих фактора на хемијску равнотежу:
- Концентрација: Додавањем супстанце равнотежа се помера у смеру њеног трошења, а одузимањем у смеру настајања. Чврсте супстанце (s) не померају равнотежу. Константа \(K\) се не мења.
- Притисак / Запремина: Пораст притиска помера равнотежу ка страни са мање молова гаса; пад притиска ка страни са више молова гаса. Константа \(K\) се не мења.
- Температура: Пораст температуре помера равнотежу у смеру ендотермне реакције (\(\Delta_r H > 0\)), а пад температуре у смеру егзотермне реакције (\(\Delta_r H < 0\)). Ово је једини фактор који мења вредност константе равнотеже \(K\).
Ле Шатељеов принцип: Ако се на систем у равнотежи делује одређеним спољашњим фактором (промена концентрације, притиска или температуре), систем реагује тако да умањи утицај тог фактора и поново успостави стање равнотеже.
Померање равнотеже:
- Удесно (\(\rightarrow\)): Убрзава се директна реакција, расте равнотежна концентрација производа, а опада концентрација реактаната.
- Улево (\(\leftarrow\)): Убрзава се повратна реакција, расте равнотежна концентрација реактаната, а опада концентрација производа.
- Додавање супстанце (повећање концентрације): равнотежа се помера у смеру њеног трошења (у супротну страну).
- Уклањање супстанце (смањење концентрације): равнотежа се помера у смеру њеног поновног настајања.
Промена концентрације реактаната или производа не мења вредност константе равнотеже (\(K\)). Након успостављања новог равнотежног стања, вредност \(K\) остаје иста при константној температури.
Додавање или одузимање супстанци у чврстом агрегатном стању (s) не утиче на положај равнотеже, јер је њихова концентрација константна.
Посматрајмо реакцију: \(\text{A(g)} + \text{Б(g)} \rightleftharpoons 2\text{В(g)}\)
- Ако се дода супстанца \(\text{A}\), равнотежа се помера удесно (ка стварању \(\text{В}\)).
- Ако се уклони супстанца \(\text{В}\), равнотежа се такође помера удесно како би се надокнадио губитак.
У ком смеру ће се померити равнотежа реакције \(3\text{H}_2(\text{g}) + \text{N}_2(\text{g}) \rightleftharpoons 2\text{NH}_3(\text{g})\) ако се из система уклања настали амонијак (\(\text{NH}_3\))?
Смањењем концентрације производа (\(\text{NH}_3\)), систем реагује тако што га надокнађује, па се равнотежа помера удесно (у смеру директне реакције).
Промена притиска (односно запремине суда) утиче само на равнотежне системе који садрже гасовите супстанце, и то када је укупан број молова гаса са стране реактаната различит од броја молова гаса са стране производа (\(\Delta n_{\text{gas}} \neq 0\)).
- Повећање притиска (смањење запремине): равнотежа се помера у смеру мањег броја молекула (молова) гаса.
- Смањење притиска (повећање запремине): равнотежа се помера у смеру већег броја молекула (молова) гаса.
- Ако је број молова гасова једнак са обе стране једначине, промена притиска не утиче на положај равнотеже.
Промена притиска не мења вредност константе равнотеже (\(K\)).
За реакцију синтезе амонијака:
\[ \underbrace{3\text{H}_2(\text{g}) + \text{N}_2(\text{g})}_{4\text{ мола гаса}} \rightleftharpoons \underbrace{2\text{NH}_3(\text{g})}_{2\text{ мола гаса}} \]
Повећањем притиска у суду равнотежа се помера удесно (ка мањем броју молова гаса, тј. ка настајању \(\text{NH}_3\)).
Како ће смањење притиска утицати на равнотежу реакције: \(2\text{SO}_3(\text{g}) \rightleftharpoons 2\text{SO}_2(\text{g}) + \text{O}_2(\text{g})\)?
На левој страни се налазе 2 мола гаса (\(\text{SO}_3\)), а на десној страни \(2 + 1 = 3\) мола гаса (\(\text{SO}_2\) и \(\text{O}_2\)). Смањење притиска фаворизује смер са већим бројем молова гаса, па се равнотежа помера удесно.
Температура је једини фактор који мења вредност константе равнотеже (\(K\)).
- Повишење температуре: фаворизује ендотермну реакцију (\(\Delta_r H > 0\), реакција која везује топлоту).
- Снижење температуре: фаворизује егзотермну реакцију (\(\Delta_r H < 0\), реакција која ослобађа топлоту).
Утицај температуре на вредност константе равнотеже (\(K\)):
- Код ендотермних реакција (\(\Delta_r H > 0\)), са порастом температуре вредност \(K\) расте.
- Код егзотермних реакција (\(\Delta_r H < 0\)), са порастом температуре вредност \(K\) опада.
Синтеза амонијака је директно егзотермна:
\[ 3\text{H}_2(\text{g}) + \text{N}_2(\text{g}) \rightleftharpoons 2\text{NH}_3(\text{g}) \quad \Delta_r H = -184\text{ kJ/mol} \]
Повишење температуре убрзава ендотермни смер (повратну реакцију), па се равнотежа помера улево, а вредност константе \(K\) се смањује.
Дата је реакција: \(\text{CaCO}_3(\text{s}) \rightleftharpoons \text{CaO}(\text{s}) + \text{CO}_2(\text{g}) \quad \Delta_r H = 179\text{ kJ/mol}\).
Како снижење температуре утиче на положај равнотеже и на вредност константе равнотеже?
Пошто је директна реакција ендотермна (\(\Delta_r H > 0\)), повратна реакција је егзотермна. Снижење температуре фаворизује егзотермну реакцију, па се равнотежа помера улево. Вредност константе равнотеже (\(K\)) се при снижењу температуре код ендотермних процеса смањује.
Хабер–Бошов поступак за индустријску синтезу амонијака:
\[ 3\text{H}_2(\text{g}) + \text{N}_2(\text{g}) \rightleftharpoons 2\text{NH}_3(\text{g}) \quad \Delta_r H = -184\text{ kJ/mol} \]
- Притисак: Користи се висок притисак јер помера равнотежу удесно (са 4 на 2 мола гаса) и повећава принос \(\text{NH}_3\).
- Температура: Ниска температура теоријски помера равнотежу удесно (егзотермна реакција), али знатно успорава брзину реакције. Због тога је одабрана оптимална „компромисна” температура од око \(500^\circ\text{C}\) уз присуство катализатора, чиме се постиже задовољавајућа брзина и висок принос.
Биолошки системи: Везивање кисеоника за хемоглобин у плућима зависи од његовог парцијалног притиска. При високом парцијалном притиску кисеоника у плућима равнотежа се помера ка формирању оксихемоглобина, док се у ткивима са ниским притиском кисеоник ослобађа.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Дата је хемијска равнотежа:
\[ \text{N}_2\text{O}_4(\text{g, безбојан}) \rightleftharpoons 2\text{NO}_2(\text{g, смеђ}) \]
У ком смеру ће се померити равнотежа и како ће се променити боја смеше ако се повећа притисак у реакционом суду (смањи запремина)?
На левој страни је 1 mol гаса, а на десној 2 mol гаса. Повећање притиска помера равнотежу ка мањем броју молова гаса, тј. улево. Због тога ће смеђи \(\text{NO}_2\) прелазити у безбојни \(\text{N}_2\text{O}_4\), па ће интензитет смеђе боје након поновног успостављања равнотеже ослабити (смеша се обезбојава).
Задатак 2 (средњи): Посматра се реакција:
\[ \text{A(g)} + 2\text{Б(g)} \rightleftharpoons \text{В(g)} + \text{Г(g)} \quad \Delta_r H < 0 \]
Како на положај хемијске равнотеже утичу:
а) Снижење температуре?
б) Смањење притиска (повећање запремине суда)?
а) Снижење температуре?
б) Смањење притиска (повећање запремине суда)?
а) Снижење температуре: Пошто је \(\Delta_r H < 0\), директна реакција је егзотермна. Снижење температуре погодује егзотермном процесу, па се равнотежа помера удесно.
б) Смањење притиска: На левој страни има \(1 + 2 = 3\) мола гаса, а на десној \(1 + 1 = 2\) мола гаса. Смањење притиска помера равнотежу у смеру већег броја молова гаса, дакле улево.
б) Смањење притиска: На левој страни има \(1 + 2 = 3\) мола гаса, а на десној \(1 + 1 = 2\) мола гаса. Смањење притиска помера равнотежу у смеру већег броја молова гаса, дакле улево.
Задатак 3 (тежак): У затвореном суду успостављена је равнотежа:
\[ \text{C(s)} + \text{CO}_2(\text{g}) \rightleftharpoons 2\text{CO}(\text{g}) \quad \Delta_r H = +172,5\text{ kJ/mol} \]
Како ће на количину угљен-моноксида (\(\text{CO}\)) у равнотежи утицати:
а) Додавање чврстог угљеника (\(\text{C(s)}\)) у суд?
б) Повећање температуре?
в) Повећање укупног притиска у суду?
Која од ових промена ће повећати вредност константе равнотеже (\(K\))?
а) Додавање чврстог угљеника (\(\text{C(s)}\)) у суд?
б) Повећање температуре?
в) Повећање укупног притиска у суду?
Која од ових промена ће повећати вредност константе равнотеже (\(K\))?
а) Додавање \(\text{C(s)}\): Угљеник је у чврстом стању и његова концентрација је константна, па ово нема утицаја на равнотежу нити на количину \(\text{CO}\).
б) Повећање температуре: Реакција је ендотермна (\(\Delta_r H > 0\)). Повишење температуре помера равнотежу удесно, па се количина \(\text{CO}\) повећава.
в) Повећање притиска: Са леве стране је 1 mol гаса (\(\text{CO}_2\)), а са десне 2 mol гаса (\(\text{CO}\)). Повећање притиска помера равнотежу улево (ка мањем броју молова гаса), па се количина \(\text{CO}\) смањује.
Константа равнотеже: Једино повећање температуре мења вредност \(K\), и код ове ендотермне реакције доводи до њеног повећања.
б) Повећање температуре: Реакција је ендотермна (\(\Delta_r H > 0\)). Повишење температуре помера равнотежу удесно, па се количина \(\text{CO}\) повећава.
в) Повећање притиска: Са леве стране је 1 mol гаса (\(\text{CO}_2\)), а са десне 2 mol гаса (\(\text{CO}\)). Повећање притиска помера равнотежу улево (ка мањем броју молова гаса), па се количина \(\text{CO}\) смањује.
Константа равнотеже: Једино повећање температуре мења вредност \(K\), и код ове ендотермне реакције доводи до њеног повећања.
