Näidisküsimused ja tasakaalu arutelu lahendustes
Pendahuluan
Keemiline tasakaal on keemia põhimõiste, mis on keemiliste reaktsioonide mõistmiseks ülioluline. Tasakaal lahuses on seisund, kus kaks või enam vastandreaktsiooni toimuvad sama kiirusega, nii et reagentide ja saaduste kontsentratsioonid jäävad aja jooksul konstantseks. Selles artiklis käsitleme mitmeid näiteid tasakaalust lahustes ja käsitleme neid üksikasjalikumalt. Loodame, et see artikkel aitab teil süvendada keemilise tasakaalu teooria mõistmist.
Keemilise tasakaalu põhimõisted
Enne näidisküsimuste ja arutelu juurde asumist on oluline mõista keemilise tasakaalu mõningaid põhimõisteid:
1. Dünaamiline tasakaal: Tasakaaluseisundis reaktsioon ei peatu, kuid edasine ja tagasisuunaline reaktsioon toimuvad sama kiirusega.
2. Tasakaalukonstant (K): Kasutatakse reaktsiooni tasakaalu saavutamise ulatuse näitamiseks. Tasakaalukonstandi üldvalem on:
\[ K = \frac{{[produkt]}}{[reagent]} \]
3. Massitoime seadus: Iga aine kontsentratsioon reaktsioonis väljendatakse eksponentsiaalselt vastavalt keemilise võrrandi kordajatele.
Näidisküsimused ja arutelu
Näidisküsimus 1
Küsimus:
Tasakaalureaktsiooni võrrand on tuntud järgmiselt:
\[ N_2O_4 (g) \leftright nool 2NO_2 (g) \]
Teatud temperatuuril on \(N_2O_4 \) tasakaalukontsentratsioon 0.10 M ja \(NO_2 \) on 0.20 M. Arvutage reaktsiooni tasakaalukonstandi \(K_c \) väärtus.
Arutelu:
Tasakaalukonstandi (K_c) võrrand on:
\[K_c = \frac{{[NO_2]^2}}{[N_2O_4]} \]
Ühendage kontsentratsiooni väärtused võrrandisse:
\[K_c = \frac{{(0.20)^2}}{0.10} \]
\[K_c = \frac{{0.04}}{0.10} = 0.40 \]
Seega on reaktsiooni \(K_c \) väärtus 0.40.
Näidisküsimus 2
Küsimus:
Suletud anumas laguneb \(PCl_5 \) gaas \(PCl_3 \)-ks ja \(Cl_2 \)-ks vastavalt võrrandile:
\[ PCl_5 (g) \vasakuleparemalearrow PCl_3 (g) + Cl_2 (g) \]
Kui tasakaalukonstant \(K_c \) on teatud temperatuuril 0.200 ja tasakaaluseisundis on \(PCl_5 \) kontsentratsioon 1.00 M, siis arvuta \(PCl_3 \) ja \(Cl_2 \) kontsentratsioonid tasakaaluseisundis.
Arutelu:
Oletame, et \(PCl_3 \) ja \(Cl_2 \) kontsentratsioon tasakaaluolekus on x M. Reaktsioonivõrrandi põhjal väheneb \(PCl_5 \) kontsentratsioon samuti x M võrra.
Seega saab tasakaaluvõrrandi kirjutada järgmiselt:
\[K_c = \frac{{[PCl_3][Cl_2]}}{[PCl_5]} \]
Asendage K_c väärtused ja PCl_5 kontsentratsioon:
\[0.200 = \frac{{x^2}}{(1.00 – x)} \]
Ruutvõrrandite lahendamine:
\[0.200 = \frac{{x^2}}{(1.00 – x)} \]
\[0.200 (1.00 – x) = x^2 \]
\[0.200 – 0.200x = x^2 \]
\[x^2 + 0.200x – 0.200 = 0 \]
Selle ruutvõrrandi lahend on x = 0.332 või x = -0.532 (negatiivne lahend on ebaoluline, kuna kontsentratsioon ei saa olla negatiivne).
Seega on \(PCl_3 \) ja \(Cl_2 \) tasakaalukontsentratsioon 0.332 M.
Näidisküsimus 3
Küsimus:
Lahuses saavad hüdroksiidioonid (\( OH^- \)) reageerida ammooniumioonidega (\( NH_4^+ \)), moodustades vett (\( H_2O \)) ja ammoniaaki (\( NH_3 \)). Reaktsioonivõrrand on:
\[ NH_4^+ (aq) + OH^- (aq) \vasakparemnool H_2O (l) + NH_3 (aq) \]
Kui tasakaalukonstant (\(K_c \)) on teatud temperatuuril seatud väärtusele 1.8 x 10^5 ning \(NH_4^+ \) ja \(OH^- \) algkontsentratsioonid on vastavalt 0.10 M ja 0.15 M, siis arvuta \(NH_3 \) kontsentratsioon tasakaalu saavutamisel.
Arutelu:
Kirjutage tasakaaluvõrrand:
\[ K_c = \frac{{[NH_3]}}{[NH_4^+][OH^-]} \]
Oletame, et x on tasakaaluolekus moodustunud NH_3 kontsentratsioon, siis NH_4^+ ja OH^- kontsentratsioonid vähenevad iga x-ga.
\[K_c = \frac{{x}}{(0.10 – x)(0.15 – x)} \]
Asendage \(K_c \) väärtus:
\[1.8 korda 10^5 = \frac{{x}}{(0.10 – x)(0.15 – x)} \]
Eeldame, et x on väga väike võrreldes 0.10 ja 0.15-ga, nii et \(0.10 – x \um 0.10 \) ja \(0.15 – x \um 0.15 \):
\[1.8 korda 10^5 = \frac{{x}}{(0.10)(0.15)} \]
\[x = 1.8 korda 10^5 korda (0.10) korda (0.15) \]
\[ x = 2.7 \]
Seega hinnatakse \(NH_3 \) kontsentratsiooniks tasakaaluolekus 2.7 M.
Järeldus
Eelnevast arutelust võib järeldada, et keemilise tasakaalu kontseptsiooni mõistmine on oluline mitmesuguste lahustes tasakaaluga seotud probleemide lahendamiseks. Massitoime seaduse ja tasakaalukonstandi abil saame arvutada erinevate liikide kontsentratsioone reaktsioonis, kui tasakaal on saavutatud. See artikkel puudutab vaid mõnda põhinäidet. Praktikas võivad keemilise tasakaalu arvutused olla palju keerukamad, hõlmates selliseid tegureid nagu temperatuur, rõhk ja ioonide aktiivsus lahuses.
