Näidisküsimused keemilise tasakaalu kohta
Keemiline tasakaal on keemias oluline mõiste, mis kirjeldab olekut, kus keemilise reaktsiooni otse- ja pöördreaktsioonide kiirused on võrdsed. Sellises olukorras jäävad reagentide ja saaduste kontsentratsioonid konstantseks. See artikkel pakub mitmeid näidisülesandeid ja nende lahendusi, mis aitavad keemilise tasakaalu kontseptsiooni mõista.
Keemilise tasakaalu põhimõisted
Keemiline tasakaal tekib siis, kui keemiline reaktsioon saab toimuda pöörduvalt või mõlemas suunas. Pöörduvat reaktsiooni saab sümboliseerida järgmiselt:
\[ \aA} + \bB} \rightleftharpoons \cC} + \dD} \]
Kus:
– A ja B on reagendid,
– C ja D on produktid,
– a, b, c ja d on iga aine stöhhiomeetrilised koefitsiendid.
Kui tasakaal on saavutatud, on edasise reaktsiooni (produktide tekkimise) kiirus võrdne pöördreaktsiooni (reagantide tekkimise) kiirusega. Kuigi reaktsioon jätkub dünaamiliselt, jäävad kõigi ainete kontsentratsioonid muutumatuks.
Tasakaalukonstant (K)
Ülaltoodud reaktsiooni tasakaalukonstanti \(K_c\) saab väljendada järgmiselt:
\[ K_c = \frac{{[\text{C}]^c [\text{D}]^d}}{{[\text{A}]^a [\text{B}]^b}} \]
Kus [X] on aine X molaarne kontsentratsioon. Gaasi tasakaalus osarõhkude kasutamisel väljendatakse tasakaalukonstanti kui \(K_p\).
Keemilise tasakaalu näidisküsimused
Küsimus 1: Reaktsioonid kontsentratsiooniandmetega
1-liitrisesse anumasse pannakse teatud temperatuuril 1 mool N₂ ja 3 mooli H₂. Reaktsioon toimub järgmiselt:
\[ \text{N}_2(g) + 3 \text{H}_2(g) \text{NH}_3(g) \]
Pärast tasakaalu saavutamist leitakse 0,8 mooli N₂-d. Arvutage tasakaalukonstant \(K_c\).
Arutelu:
1. Määrake kontsentratsiooni muutus:
Algselt on moolide arv:
– \([\text{N}_2]_{esialg} = 1 \text{mol/L}\]
– \([\text{H}_2]_{esialgne} = 3 \text{mol/L}\]
– \([\text{NH}_3]_{initial} = 0 \text{mol/L}\]
Tasakaalu korral on moolide arv:
– \([\tekst{N}_2] = 0,8 \, \tekst{mol/L}\]
N₂ muutus = 1 – 0,8 = 0,2 mol/l
2. Muutuste stöhhiomeetria:
\[
\text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \text{NH}_3(g)
\]
Seega muutused H₂ ja NH₃ puhul:
– \([\text{H}_2] = 3 \cdot 0,2 = 0,6 \text{mol/L}\]
– \([\text{NH}_3] = 2 \cdot 0,2 = 0,4 \text{mol/L}\]
Mooli tasakaal:
– \([\text{H}_2] = 3 – 0,6 = 2,4 \text{mol/L}\]
– \([\text{NH}_3] = 0 + 0,4 = 0,4 \text{mol/L}\]
3. Arvuta \(K_c\):
\[
K_c = \frac{[\text{NH}_3]^2}{[\text{N}_2][\text{H}_2]^3}
\]
Asenda väärtused:
– \([\text{NH}_3] = 0,4 \text{mol/L}\]
– \([\tekst{N}_2] = 0,8 \, \tekst{mol/L}\]
– \([\text{H}_2] = 2,4 \text{mol/L}\]
\[
K_c = \frac{(0,4)^2}{(0,8)(2,4)^3}
\]
\[
= \frac{0,16}{0,8 \cdot 13,824}
\]
\[
= \frac{0,16}{11,0592}
umbes 0,0145
\]
Küsimus 2: Kontsentratsiooni muutuste mõju
Suletud anumas laguneb teatud kogus N₂O₄(g) ühendiks 2NO₂(g). Teatud temperatuuril on tasakaalukonstant \(K_c\) 0,36. Kui N₂O₄(g) algkontsentratsioon on 1,0 M ja alguses NO₂(g) puudub, arvutage NO₂(g) kontsentratsioon tasakaaluolekus.
Arutelu:
1. ICE tabeli kasutamine:
\[
\begin{align }
\text{Reaktsioon:} & \ \ \text{N}_2\text{O}_4(g) \rightleftharpoons 2\text{NO}_2(g) \\
\text{Initial:} & \ \ [\text{N}_2\text{O}_4]_{0} = 1.0 \, \text{M}, \ [\text{NO}_2]_{0} = 0 \\
\text{Muuda:} & \ \ [\text{N}_2\text{O}_4]_{eq} = 1.0 – x, \ [\text{NO}_2]_{eq} = 2x \\
\end{align }
\]
2. Ühenduse loomine \(K_c\) abil:
\[
K_c = \frac{[\text{NO}_2]^2}{[\text{N}_2\text{O}_4]}
= \frac{(2x)^2}{1.0 – x}
= ∫₀(4x^2)₀(1 – x)
\]
3. Määrake x:
\[
K_c = 0,36
\]
Seega, asendamine:
\[
0,36 = ∫₀(4x^2)(1 – x)
\]
Ristkorrutis:
\[
0,36(1 – x) = 4x^2
\]
\[
0,36 – 0,36x = 4x^2
\]
Liiguta kõik ühele poole:
\[
4x^2 + 0,36x – 0,36 = 0
\]
4. Ruutvõrrandite lahendamine:
Kasutage ruutvõrrandi valemit:
\[
x = \frac{-b \pm ∫qrt{b^2 – 4ac}}{2a}
\]
Kus a = 4, b = 0,36 ja c = -0,36:
\[
x = \frac{-0,36 \pm ∫qrt{(0,36)^2 – 4(4)(-0,36)}}{2(4)}
\]
\[
x = \frac{-0,36 \pm{0,1296 + 5,76}}{8}
\]
\[
x = \frac{-0,36 \pm{5,8896}}{8}
\]
Kuna kontsentratsioon ei saa olla negatiivne, valime positiivse juure:
\[
x \um 0,36
\]
5. NO₂ kontsentratsioon:
\[
[\text{NO}_2]_{eq} = 2x = 2 \cdot 0,36 = 0,72 \, \text{M}
\]
Järeldus
Keemilise tasakaalu mõistmine on võtmetähtsusega, et ennustada, kuidas keemiline süsteem teatud tingimustel reageerib. Harjutamise ja põhjaliku mõistmise abil suudame lahendada selle kontseptsiooniga seotud probleeme, kirjeldada süsteemi lõppseisundit ja mõista keemiliste reaktsioonide dünaamikat suletud süsteemis. Tasakaalukonstandi \(K_c\) äratundmine ja kasutamine lihtsustab kõigi liikide kontsentratsioonide ennustamist tasakaalus olevas süsteemis.
