Хімія ★★☆ Середній

⚗️ Хімічна Рівновага

Досліджуйте, як температура, ентальпія, ентропія та початкові концентрації визначають «напрямок» реакції. Спостерігайте за кривою вільної енергії G(Q), анімованими ICE-концентраціями та перевіряйте принцип Ле Шательє в реальному часі.

a A  +  b B  ⇌  c C  +  d D

Термодинаміка

Стехіометрія та конц.

Результати рівноваги

ΔG° (кДж/моль) —
K (T) —
Q початкове —
Ступінь ξ(рівн.) —
Δn газів —
Відношення K_p / K_c —
Реакція зміщена —

Теорія хімічної рівноваги

Вільна енергія Гіббса та рівновага

При сталих T і p реакційний фактор Q еволюціонує, допоки ΔrG = ΔrG° + RT ln Q = 0, тобто Q = K. Крива G(Q) має мінімум саме при K. При Q < K реакція іде вперед (ΔrG < 0); при Q > K — у зворотному напрямку. K = exp(−ΔG°/RT) показує положення рівноваги.

Принцип Ле Шательє

Якщо систему в рівновазі збурити (додати/видалити реагент або продукт, змінити T або p), вона зміщується для протидії збуренню. Підвищення T зміщує рівновагу в бік ендотермічної реакції. Підвищення тиску зміщує рівновагу в бік меншої кількості молів газу (Δn = c + d − a − b). Додавання інертного газу за постійного об'єму не зміщує рівновагу.

Рівняння ван'т Гоффа

d ln K / dT = ΔH° / RT². Інтегруючи: ln(K2/K1) = −ΔH°/R · (1/T2 − 1/T1). Графік ln K vs 1/T — лінійний із нахилом −ΔH°/R, що дозволяє визначити ентальпію з температурних залежностей — широко застосовується у кінетиці ферментів та проектуванні промислових реакторів.

Kp та Kc

Для газофазних реакцій Kp використовує парціальні тиски (бар), Kc — молярні концентрації (моль/л). Kp = Kc(RT)Δn, де Δn = Σνпродуктів − Σνреагентів. При Δn = 0 обидві константи збігаються. Синтез NH3 за методом Габера (Δn = −2) виграє при підвищенні тиску.

Про цю симуляцію

Ця симуляція моделює загальну оборотну реакцію aA + bB ⇌ cC + dD і дозволяє побачити, як хімічна рівновага виникає з термодинаміки, а не просто отримати готове значення K. Задайте ΔH°, ΔS°, температуру та початкові концентрації — і крива вільної енергії відносно реакційного коефіцієнта G(Q), таблиця ICE (Початок-Зміна-Рівновага), графік Ван-Гоффа та живі зсуви за Ле Шательє оновлюються разом.

🔬 Що показано

ΔG° = ΔH° − TΔS° задає стандартну зміну вільної енергії, що фіксує K = exp(−ΔG°/RT). Вкладка G(Q) малює вільну енергію як функцію реакційного коефіцієнта Q, з мінімумом рівно при Q = K — точці рівноваги. Вкладка Ван-Гоффа малює ln K відносно 1/T, а таблиця ICE відстежує, як початкові концентрації [A]₀, [B]₀ зміщуються до рівноважних значень через ступінь перебігу реакції ξ.

🎮 Як користуватись

Тягніть ΔH° і ΔS°, щоб змінити термодинаміку реакції, T для зміни температури, та стехіометричні коефіцієнти a, b, c, d для зміни збалансованої форми реакції. Налаштуйте [A]₀ і [B]₀, щоб задати початкові концентрації. Перемикайтесь між вкладками G(Q) і Ван-Гоффа, щоб побачити ту саму рівновагу з двох різних поглядів.

💡 Чи знали ви?

Константа рівноваги K — не просто емпіричне число: математично це точний коефіцієнт Q, при якому крива вільної енергії G(Q) досягає мінімуму. Тому реакція завжди прямує до K незалежно від того, з якого боку почалась: будь-яке Q поза K лежить на схилі кривої G(Q), і система "скочується" донизу, доки Q = K.

Часті запитання

Що визначає, чи K більше чи менше 1?

K = exp(−ΔG°/RT). Від'ємне ΔG° (спонтанна пряма реакція) дає K > 1, сприяючи продуктам у рівновазі; додатне ΔG° дає K < 1, сприяючи реагентам. Оскільки ΔG° = ΔH° − TΔS°, і ентальпія, і ентропія — і температура — разом визначають, яка сторона переважає.

Чому крива G(Q) має мінімум, і чому він при Q = K?

Вільна енергія як функція Q поєднує фіксований член ΔG° з членом ентропії змішування (RT ln Q), що прямує до нескінченності при Q→0 і Q→∞, гарантуючи внутрішній мінімум. Прирівнявши похідну dG/dQ до нуля, отримуємо точно ΔG° + RT ln K = 0, тобто мінімум і є точкою рівноваги за побудовою.

Як графік Ван-Гоффа пов'язує ln K з температурою?

Рівняння Ван-Гоффа ln K = −ΔH°/(RT) + ΔS°/R передбачає пряму лінію при побудові ln K відносно 1/T, з нахилом −ΔH°/R і перетином ΔS°/R. Саме так ΔH° і ΔS° вимірюють експериментально: проводять реакцію за кількох температур, будують ln K vs 1/T і зчитують нахил і перетин.

Що представляють таблиця ICE та ступінь перебігу реакції ξ?

ICE означає Initial, Change, Equilibrium (Початок, Зміна, Рівновага) — метод обліку, де концентрація кожної речовини змінюється на її стехіометричний коефіцієнт, помножений на єдиний ступінь перебігу реакції ξ. Розв'язання для ξ, що задовольняє K = Q у рівновазі, дає рівноважну концентрацію кожної речовини за один крок — саме це показує таблиця ICE симуляції наживо.

Як принцип Ле Шательє проявляється в цій симуляції?

Зміна [A]₀ чи [B]₀ зміщує Q від K, і симуляція негайно перераховує ξ, тож система повертається до K — видимо витрачаючи додану речовину і утворюючи більше протилежної сторони, або навпаки. Це принцип Ле Шательє, зроблений обчислюваним, а не просто якісним правилом.