Χημική ισορροπία - Απόδοση

Χημική Ισορροπία - Απόδοση

Ταξινόμηση χημικών αντιδράσεων ανάλογα με την κατεύθυνση που πραγματοποιούνται:

Μονόδρομες ή ποσοτικές : Πραγματοποιούνται προς μία μόνο κατεύθυνση έως ότου καταναλωθεί πλήρως τουλάχιστον ένα από τα αντιδρώντα.

Αμφίδρομες :

Πραγματοποιούνται και προς τις δύο κατευθύνσεις.Υπό κατάλληλες συνθήκες (κλειστό σύστημα1, σταθερές συνθήκες2) οι αμφίδρομες αντιδράσεις οδηγούν σε κατάσταση χημικής ισορροπίας

Έστω η αμφίδρομη αντίδραση με χημική εξίσωση:

αΑ + βΒ ⇄ γΓ + δΔΕάν σε ένα κλειστό δοχείο σταθερού όγκου και σε σταθερή θερμοκρασία εισαχθούν ορισμένες ποσότητες από τις ουσίες Α και Β (αντιδρώντα), θα παρατηρήσουμε:

➢ Αρχικά (t = 0) οι συγκεντρώσεις των αντιδρώντων Α και Β είναι μέγιστες, οπότε η ταχύτητα υ1 (της αντίδρασης προς τα δεξιά) έχει τη μέγιστη τιμή της. Αντίθετα, οι συγκεντρώσεις των προϊόντων Γ και Δ είναι μηδέν, οπότε η ταχύτητα υ2 (της αντίδρασης προς τα αριστερά) κατά την έναρξη της αντίδρασης είναι μηδέν.

➢ Με την πάροδο του χρόνου οι συγκεντρώσεις των αντιδρώντων Α και Β ελαττώνονται, οπότε και η ταχύτητα υ1 ελαττώνεται. Αντίθετα, η ταχύτητα υ2 αυξάνεται, επειδή με την πάροδο του χρόνου αυξάνονται οι συγκεντρώσεις των προϊόντων Γ και Δ.

➢ Από τη χρονική στιγμή (tv) και μετά οι ταχύτητες υ1 και υ2 εξισώνονται (υ1 = υ2) και το σύστημα μακροσκοπικά δεν παρουσιάζει καμία μεταβολή. Οι συγκεντρώσεις των αντιδρώντων (Α και Β) και των προϊόντων (Γ και Δ) δεν μεταβάλλονται, δηλαδή η ποιοτική και η ποσοτική σύσταση του συστήματος δεν μεταβάλλονται με την πάροδο του χρόνου, εφόσον βέβαια οι συνθήκες παραμένουν σταθερές. Στο σημείο αυτό έχει αποκατασταθεί χημική ισορροπία.

1 Κλειστό ονομάζεται το σύστημα που διατηρεί τη μάζα του σταθερή, ενώ η ενέργεια του μεταβάλλεται, δηλαδή μπορεί να προσλάβει ή να αποδώσει ενέργεια π.χ. κλειστό δοχείο.

2 Σταθερή πίεση και θερμοκρασία.

http://schoolchemistry.blogspot.com (1) e-mail & MSN ID: [email protected]

Νίκος ΓαλάνηςΚαθηγητής Χημείας2ο Λύκειο Ηρακλείου

Χημική Ισορροπία:(i) Η σύσταση των αντιδρώντων και προϊόντων παραμένει σταθερή.

(ii) Οι ταχύτητες των δύο αντίθετων αντιδράσεων εξισώνονται.

Η χημική ισορροπία είναι δυναμική ισορροπία και όχι στατική. Δηλαδή στην κατάσταση χημικής ισορροπίας οι δύο αντίθετες αντιδράσεις δεν σταματούν, αλλά πραγματοποιούνται ταυτόχρονα με την ίδια ταχύτητα. Δηλαδή όσα μόρια αντιδρώντων μετατρέπονται σε προϊόντα στη μονάδα του χρόνου, τόσα ακριβώς μόρια αντιδρώντων ξανασχηματίζονται από την αντίδραση μεταξύ των μορίων των προϊόντων στη μονάδα του χρόνου. Έτσι, οι ποσότητες των συστατικών του μίγματος ισορροπίας παραμένουν σταθερές.

Διάγραμμα συγκέντρωσης – χρόνου για τα αντιδρώντα και προϊόντα:

Διάγραμμα ταχύτητας – χρόνου για τις δύο πορείες της αμφίδρομης αντίδρασης:

Ομογενή και ετερογενή ισορροπία:

➢ Ομογενή ισορροπία έχουμε όταν τα αντιδρώντα και τα προϊόντα βρίσκονται στην ίδια φάση, για παράδειγμα: Ν2 (g) + 3H2 (g) ⇄ 2 NH3 (g) (όλα είναι αέρια).

➢ Ετερογενή ισορροπία όταν τα σώματα που συμμετέχουν στην ισορροπία (αντιδρώντα και προϊόντα) βρίσκονται σε περισσότερες από μία φάσεις, για παράδειγμα: CaCO3 (s) ⇄ CaO (s)

+ CO2 (g) (δύο σώματα στερεά και ένα αέριο).

Συντελεστής απόδοσης (α) μιας χημικής αντίδρασης ονομάζεται ο λόγος της ποσότητας του προϊόντος που παράγεται πρακτικά προς την ποσότητα του ίδιου προϊόντος που θα παραγόταν θεωρητικά αν η αντίδραση ήταν ποσοτική (μονόδρομη).

α = ποσότητα προϊόντος που παράγεται πρακτικάποσότητα του ίδιου προϊόντος πουθα παραγόταν θεωρητικά

Μπορούμε να βρούμε το συντελεστή απόδοσης και από το περιοριστικό αντιδρόν, οπότε θα γράφαμε:

α = ποσότητα περιοριστικού αντιδρώντος που καταναλώθηκε πρακτικάποσότητα τουίδιου αντιδρώντος πουθα καταναλωνόταν θεωρητικά


C(mol/L)

t (s)

ΑΓ

Β

Δ

tv

(1)

(2)

Παρατηρήσεις:

➢ Μετά το χρόνο tv έχει αποκατασταθεί Χημική Ισορροπία (ΧΙ) και όλες η καμπύλες είναι παράλληλες με τον άξονα του χρόνου.

➢ Ισχύει και εδώ, ότι ο λόγος των στοιχειομετρικών συντελεστών είναι και λόγος μεταβολών συγκεντρώσεων. Για παράδειγμα, ισχύει:

12

=Δ [Α ]Δ [Γ]

= αγ

υ(mol/(L.s))

t (s)tv

υ1

υ2


➢ Η ταχύτητα υ1 (αντίδραση προς τα δεξιά) με την πάροδο του χρόνου ελαττώνεται, έως ότου φτάσει σε μία οριακή τιμή. Αυτό συμβαίνει διότι οι συγκεντρώσεις των αντιδρώντων ελαττώνονται με την πάροδο του χρόνου.

➢ Η ταχύτητα υ2 (αντίδραση προς τα αριστερά) με την πάροδο του χρόνου αυξάνει, έως ότου φτάσει σε μία οριακή τιμή. Αυτό συμβαίνει διότι οι συγκεντρώσεις των προϊόντων αυξάνονται με την πάροδο του χρόνου.

Λυμένα παραδείγματα:

Πρώτο: Σε κενό δοχείο εισάγουμε 4 mol SO2 και 10 mol Ο2. Αν στην ισορροπία έχουμε 3 mol SO3, ποια είναι η απόδοση της αντίδρασης: 2SO2 + O2 ⇄ 2SO3 (Εφαρμογή σχολ. βιβλίου σελ. 115)Λύση:Αρχικά δημιουργούμε πίνακα ποσοτήτων εκφρασμένο σε mol ως εξής:

(1) Γράφουμε τις αρχικές ποσότητες(2) Στη γραμμή «Αντιδρούν/Παράγονται» συμπληρώνουμε ποσότητες ανάλογες με τους στοι

χειομετρικούς συντελεστές, μιας και έχουμε αναφέρει ότι είναι η μόνη γραμμή στον πίνακα που είναι ανάλογη των στοιχειομετρικών συντελεστών.

(3) Για να βρούμε τις ποσότητες που υπάρχουν στη Χημική Ισορροπία (ΧΙ):➢ Για τα αντιδρώντα κάνουμε αφαίρεση, μιας και καταναλώνονται, ενώ,➢ Για τα προϊόντα πρόσθεση, μιας και παράγονται.

Στην ΧΙ όπως αναφέρεται στην εκφώνηση έχουμε 3 mol SΟ3, οπότε 2x = 3 → x = 1,5 molΓια να βρούμε την απόδοση, θα πρέπει πρώτα να βρούμε την ποσότητα του SO3, η οποία θα παραγόταν θεωρητικά, εάν δηλαδή η αντίδραση ήταν ποσοτική (μονόδρομη). Γράφουμε ξανά τον πίνακα ποσοτήτων:

Το SO2 είναι το περιοριστικό και το O2 είναι σε περίσσεια. Για τον συντελεστή απόδοσης γράφουμε:

α =ποσότηταSO3 που παράγεται πρακτικά ΧΙ

ποσότητα SO3 πουθα παραγόταν θεωρητικά ποσοτική= 2x

4= 2⋅1,5

4= 3

4 α = 0,75

Μπορούμε να καταλήξουμε στο ίδιο ακριβώς αποτέλεσμα χρησιμοποιώντας για τον υπολογισμό του συντελεστή απόδοσης το περιοριστικό αντιδρόν, έτσι γράφουμε:

α =ποσότηταSO2 που καταναλώνεται πρακτικά XI

ποσότητα SO2 πουθα καταναλωνότανθεωρητικά ποσοτική= 2x

4= 2⋅1,5

4= 3

4 α = 0,75

Δεύτερο: Αέριο μίγμα, που περιέχει 2 mol N2 και 8 mol H2, εισάγεται σε κενό δοχείο σταθερού όγκου και ασκεί πίεση 20 atm. Διατηρώντας σταθερή τη θερμοκρασία, αποκαθίσταται η ισορροπία:

Ν2 (g) + 3 H2 (g) ⇄ 2 NH3 (g)

Αν το αέριο μίγμα ισορροπίας ασκεί πίεση 14 atm, να υπολογιστούν:(1) η απόδοση της αντίδρασης(2) οι μερικές πιέσεις των αέριων στην κατάσταση ισορροπίας

Λύση:http://schoolchemistry.blogspot.com (3) e-mail & MSN ID: [email protected]


➢ Οι τιμές του συντελεστή απόδοσης α, κυμαίνονται από 0 έως 1.➢ Όσο το α προσεγγίζει τη μονάδα, τόσο η αντίδραση πλησιάζει τη μονόδρομη αντίδραση,

κυριαρχεί δηλαδή η φορά προς τα δεξιά.➢ Αντίθετα, όσο το α προσεγγίζει το 0, τόσο κυριαρχεί η φορά της αντίδρασης προς τα αρι

στερά.

(mol) + ⇄Αρχικά 4 10

Αντιδρούν/Παράγονται 2x 2xΧημική Ισορροπία 4 – 2x 2x

2 SO2 O2 2 SO3

x10 – x

(mol) + →Αρχικά 4 10

Αντιδρούν/Παράγονται 4 2 4Τελικά -- 8 4

2 SO2 O2 2 SO3

(1) Δημιουργούμε πίνακα ποσοτήτων:

Εφαρμόζουμε την καταστατική εξίσωση των αερίων για την αρχική κατάσταση και την κατάσταση ισορροπίας:

Ραρχική V = nαρχικά RT 1Ρ ισορροπίας V = n ισορροπίας RT 2

Διαιρώντας τις (1) και (2) κατά μέλη προκύπτει:Pαρχική

Ρισορροπίας=

nαρχικά

n ισορροπίας3

Γνωρίζουμε την αρχική πίεση καθώς και την πίεση ισορροπίας. Επίσης, γνωρίζουμε τα αρχικά mol του μίγματος. Υπολογίζουμε τα mol του μίγματος ισορροπίας:

n ισορροπίας =2−x8−3x 2x = 10−2xΑπό τη σχέση (3), έχουμε:

Pαρχική

Ρισορροπίας=

nαρχικά

n ισορροπίας 20

14= 10

10−2x x=1,5 mol

Για να υπολογίσουμε τον συντελεστή απόδοσης γράφουμε:

α =ποσότητα ΝΗ3 πουπαράγεται πρακτικά ΧΙ

ποσότητα ΝΗ3 πουθα παραγόταν θεωρητικά ποσοτικήΓια να υπολογίσουμε την θεωρητική ποσότητα, ξαναγράφουμε τον πίνακα ποσοτήτων, σαν να ήταν η αντίδραση μονόδρομη:

Το Ν2 είναι το περιοριστικό και το Η2 σε περίσσεια. Έτσι, για τον συντελεστή απόδοσης γράφουμε:

α =ποσότητα ΝΗ3 πουπαράγεται πρακτικά ΧΙ

ποσότητα ΝΗ3 πουθα παραγόταν θεωρητικά ποσοτική= 2x

4= 2⋅1,5

4= 3

4 α = 0,75

(2)Για τις μερικές πιέσεις των αερίων στην κατάσταση ισορροπίας ισχύουν:

PN 2=

n N2

nολ⋅Pολ PN 2

= 0,57⋅14 PN 2

= 1 atm , PH2=

nH 2

nολ⋅Pολ PH2

= 3,57⋅14 PH2

= 7 atm

Η μερική πίεση της αμμωνίας μπορεί να υπολογιστεί από το νόμο του Dalton:Pολ = PN2

PH 2PNH3

PNH3= Pολ−PN2

PH 2 PNH3

= 14−17 PNH3= 6atm

Για το σπίτι:

(1) Δουλέψτε ανάλογα τις ασκήσεις 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 από τις σελίδες 133 και 134 του σχολικού βιβλίου, όπως και το παρακάτω θέμα:

(2) Σε κενό δοχείο σταθερού όγκου εισάγεται ποσότητα από αέριο Α. Η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή στους 227οC και πραγματοποιείται η αντίδραση: 2Α(g) ⇄ 2B(g) + Γ(g). Στην κατάσταση ισορροπίας η πυκνότητα του μίγματος είναι ρ = 2,3 g/L και η πίεση που ασκεί Pολ = 2,46 atm. Να υπολογίσετε τον συντελεστή απόδοσης της αντίδρασης.Δίνεται η σχετική μοριακή μάζα για το Α, ΜrA = 46.


(mol) + ⇄Αρχικά 2 8

Αντιδρούν/Παράγονται 3x 2xΙσορροπία 8 – 3x 2x

Ν2 3 Η2 2 ΝΗ3

x2 – x

(mol) + →Αρχικά 2 8

Αντιδρούν/Παράγονται 2 6 4Τελικά -- 2 4

Ν2 3 Η2 2 ΝΗ3

Documents

Χημική ισορροπία - Απόδοση