Równowaga Chemiczna: Energia Swobodna, Czułość Reakcji i Zasada Le Chatelliera

Równowaga to stan równowagi szybkości, a nie zatrzymania reakcji

Reakcja osiąga równowagę chemiczną nie wtedy, gdy się zatrzymuje, ale wtedy, gdy reakcje do przodu i do tyłu przebiegają z tą samą prędkością, co powoduje, że zmierzone stężenia przestają ulegać zmianom. Dla ogólnej reakcji aA + bB ⇌ cC + dD, ten punkt równowagi opisuje stała równowagi K, obliczana na podstawie stężeń podniesionych do potęg odpowiadających ich współczynnikom stechiometrycznym:

K = [C]^c [D]^d / ([A]^a [B]^b) (w stanie równowagi) Q = [C]^c [D]^d / ([A]^a [B]^b) (w dowolnym momencie, to samo wyrażenie) Q, iloczyn reakcji, ma identyczną postać algebraiczna, ale jest obliczany dla aktualnych stężeń systemu. Porównanie Q z K informuje, w którą stronę musi przebiegać reakcja: jeśli Q < K, produktów jeszcze nie wystarczy, więc reakcja do przodu dominuje; jeśli Q > K, produktów jest za dużo i dominuje reakcja odwrotna; jeśli Q = K, system znajduje się w równowadze i netto zmiany są równe zero.

K = [C]^c [D]^d / ([A]^a [B]^b)      (at equilibrium)
Q = [C]^c [D]^d / ([A]^a [B]^b)      (at any moment, same expression)

Dlaczego równowaga znajduje się w danym miejscu: energia swobodna

Powód termodynamiczny, dla którego Q goni K, polega na tym, że energia swobodna Gibbsa (G) układu reagującego, jest funkcją składu z jednym minimum. W dowolnym składzie, G(Q) = G° + RT ln Q, a nachylenie tej krzywej to siła napędowa. Reakcja przebiega w kierunku, który obniża G, i zatrzymuje się dokładnie wtedy, gdy nachylenie wynosi zero — co z definicji oznacza równowagowy skład. Ustawienie ΔG = 0 w tym punkcie daje most pomiędzy termodynamiką a stałą równowagi:

ΔG° = -RT ln K Zatem duży ujemny ΔG° (silnie faworyzowana reakcja) odpowiada dużemu K, a duży dodatni ΔG° odpowiada K mniejszemu niż 1 — reakcja w zasadzie nie przebiega, zanim krzywa energii swobodnej odwróci się do góry.

ΔG° = -RT ln K

Zasada Le Chatelliera, sformułowana precyzyjnie

Zasada Le Chatelliera mówi, że jeśli układ w stanie równowagi zostanie zaburzony, przesunie się w kierunku, który częściowo przeciwdziała temu zaburzeniu. Jest to uproszczone, jakościowe podejście do faktów ilościowych: każde zaburzenie zmienia Q w stosunku do K, a układ reaguje wtedy tak, aby przywrócić Q = K.

Dodanie reagentu podnosi mianownik Q, więc Q spada poniżej K i reakcja prosta przebiega, aby to zniwelować. Usunięcie produktu ma taki sam skutek. Zmniejszenie ciśnienia gazowej mieszaniny zwiększa każdą stężenie, a Q przesuwa się w stronę strony o mniejszej liczbie moli gazu, ponieważ ta strona szybko wraca do równowagi.

Temperatura jest inna pod tym względem – zmienia ona sam K, a nie tylko Q, ponieważ K zależy od ΔH°, a nie od składu.

Tworzenie tabeli ICE

Standardowy sposób na obliczenie rzeczywistych stężeń w stanie równowagi to tabela ICE: wiersze dla Początkowych, Zmiany i Równowagi, pojedyncza kolumna dla każdego gatunku chemicznego, z wierszem zmian zawierającym pojedynczą nieznaną wielkość reakcji x, pomnożoną przez współczynnik stechiometryczny każdego gatunku.

A + B ⇌ C I [A]₀ [B]₀ 0 Z [A]₀ -x [B]₀ -x +x E [A]₀-x [B]₀-x x K = x / (([A]₀-x)([B]₀-x)) → rozwiąż dla x, a następnie odczytaj [A], [B], [C]

        A       +   B   ⇌   C
I     [A]0        [B]0      0
C      -x          -x       +x
E    [A]0-x      [B]0-x      x

K = x / (([A]0-x)([B]0-x))   → solve for x, then read off [A],[B],[C]

Jak samoczynnie zmienia się K w zależności od temperatury: równanie van’t Hoffa

K nie jest stałą uniwersalną reakcji — jest to funkcja temperatury. Równanie van’t Hoffa wynika bezpośrednio z ΔG° = ΔH° - TΔS° połączonego z ΔG° = -RT ln K:

ln K = -ΔH°/R · (1/T) + ΔS°/R Wykres ln K w zależności od 1/T jest linią prostą, którego nachylenie wynosi -ΔH°/R, co pokazuje, jak ΔH° jest mierzony eksperymentalnie dla reakcji, które są trudne do przeprowadzenia w kalorymetrze. Dla reakcji egzotermicznych (ΔH° < 0) podwyższenie T zmniejsza K — równowaga przesuwa się z powrotem w stronę reagentów, co dokładnie odpowiada przewidywaniom zasady Le Chatelliera, która traktuje ciepło jako dodany produkt. Dla reakcji endotermicznych znak odwraca się i podwyższenie T zwiększa K.

ln K = -ΔH°/R · (1/T) + ΔS°/R

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Chemical Equilibrium i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.