Pavyzdiniai klausimai, aptariantys cheminę pusiausvyrą
Cheminė pusiausvyra yra svarbi chemijos sąvoka, apibūdinanti būseną, kai cheminės reakcijos tiesioginių ir atvirkštinių reakcijų greičiai yra vienodi. Esant šiai sąlygai, reagentų ir produktų koncentracijos išlieka pastovios. Šiame straipsnyje bus pateikti keli pavyzdiniai uždaviniai ir jų sprendimai, padėsiantys suprasti cheminės pusiausvyros sąvoką.
Pagrindinės cheminės pusiausvyros sąvokos
Cheminė pusiausvyra pasiekiama, kai cheminė reakcija gali vykti grįžtamai arba abiem kryptimis. Grįžtamą reakciją galima apibūdinti taip:
[aA + bB dešinieji leftharpoonai cC + dD]
Kur:
– A ir B yra reagentai,
– C ir D yra produktai,
– a, b, c ir d yra kiekvienos medžiagos stechiometriniai koeficientai.
Kai pasiekiama pusiausvyra, tiesioginės reakcijos (produktų susidarymo) greitis yra lygus atvirkštinės reakcijos (reagentų susidarymo) greičiui. Šiuo metu, nors reakcija tęsiasi dinamiškai, visų medžiagų koncentracijos išlieka nepakitusios.
Pusiausvyros konstanta (K)
Aukščiau pateiktos reakcijos pusiausvyros konstanta \(K_c\) gali būti išreikšta taip:
[K_c = \frac{{[\text{C}]^c [\text{D}]^d}}{{[\text{A}]^a [\text{B}]^b}}]
Kur [X] yra medžiagos X molinė koncentracija. Naudojant dalinius slėgius dujų pusiausvyroje, pusiausvyros konstanta išreiškiama kaip \(K_p\).
Cheminės pusiausvyros pavyzdžių klausimai
1 klausimas: Reakcijos su koncentracijos duomenimis
Į 1 litro talpos indą tam tikroje temperatūroje įdedamas 1 molis N₂ ir 3 moliai H₂. Reakcija vyksta taip:
\[ \text{N}_2(g) + 3 \text{H}_2(g) \text{NH}_3(g) \]
Pasiekus pusiausvyrą, randama 0,8 mol N₂. Apskaičiuokite pusiausvyros konstantą (K_c).
Diskusija:
1. Nustatykite koncentracijos pokytį:
Iš pradžių apgamų skaičius yra:
– \([\text{N}_2]_{pradinis} = 1 \text{mol/L}\]
– \([\text{H}_2]_{pradinis} = 3 \text{mol/L}\]
– \([\text{NH}_3]_{pradinis} = 0 \text{mol/l}\]
Pusiausvyros būsenoje molių skaičius:
– \([\tekstas{N}_2] = 0,8 \, \tekstas{mol/L}\]
N₂ pokytis = 1 – 0,8 = 0,2 mol/l
2. Pokyčių stechiometrija:
\[
\text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \text{NH}_3(g)
\]
Taigi, H₂ ir NH₃ pokyčiai:
– \([\text{H}_2] = 3 \cdot 0,2 = 0,6 \text{mol/L}\]
– \([\text{NH}_3] = 2 \cdot 0,2 = 0,4 \text{mol/L}\]
Molinė pusiausvyra:
– \([\text{H}_2] = 3 – 0,6 = 2,4 \text{mol/l}\]
– \([\text{NH}_3] = 0 + 0,4 = 0,4 \text{mol/l}\]
3. Apskaičiuokite \(K_c\):
\[
K_c = \frac{[\text{NH}_3]^2}{[\text{N}_2][\text{H}_2]^3}
\]
Pakeiskite reikšmes:
– \([\text{NH}_3] = 0,4 \text{mol/l}\]
– \([\tekstas{N}_2] = 0,8 \, \tekstas{mol/L}\]
– \([\text{H}_2] = 2,4 \text{mol/L}\]
\[
K_c = \frac{(0,4)^2}{(0,8)(2,4)^3}
\]
\[
= \frac{0,16}{0,8 \cdot 13,824}
\]
\[
= \frac{0,16}{11,0592}
maždaug 0,0145
\]
2 klausimas: Koncentracijos pokyčių poveikis
Uždarytame inde N₂O₄(g) kiekis skyla į 2NO₂(g). Esant tam tikrai temperatūrai, pusiausvyros konstanta \(K_c\) yra 0,36. Jei pradinė N₂O₄(g) koncentracija yra 1,0 M ir pradžioje nėra NO₂(g), apskaičiuokite NO₂(g) koncentraciją pusiausvyros metu.
Diskusija:
1. Naudojant ICE lentelę:
\[
pradėti{align }
\text{Reakcija:} ir \ \ \ \text{N}_2\text{O}_4(g) \rightleftharpoons 2\text{NO}_2(g) \\
\text{Initial:} ir \ \ [\text{N}_2\text{O}_4]_{0} = 1.0 \, \text{M}, \ [\text{NO}_2]_{0} = 0 \\
\text{Keisti:} ir \ \ [\text{N}_2\text{O}_4]_{eq} = 1.0 – x, \ [\text{NO}_2]_{eq} = 2x \\
\end{align }
\]
2. Prisijungimas prie \(K_c\):
\[
K_c = \frac{[\text{NO}_2]^2}{[\text{N}_2\text{O}_4]}
= ∫(2x)^2}{1.0 – x}
= ∫₀(4x^2)₀(1 – x)
\]
3. Nustatykite x:
\[
K_c = 0,36
\]
Taigi, pakeitimas:
\[
0,36 = ∫₀(4x^2)₀(1 – x)
\]
Kryžminis dauginimas:
\[
0,36(1 – x) = 4x^2
\]
\[
0,36 – 0,36x = 4x^2
\]
Perkelkite viską į vieną pusę:
\[
4x^2 + 0,36x – 0,36 = 0
\]
4. Kvadratinių lygčių sprendimas:
Naudokite kvadratinę formulę:
\[
x = ∫₀b₀₀ₗ / ∫₀b₂₀ₐₐ (2a))
\]
Kur a = 4, b = 0,36 ir c = -0,36:
\[
x = ∫\frac{-0,36 ∫\pm{(0,36)^2 – 4(4)(-0,36)}}{2(4)}
\]
\[
x = ∫₀-0,36⁻¹⁸⁻² / ∫₀ 0,1296 + 5,76}{8}
\]
\[
x = ∫₀-0,36⁻¹ / ∫₀ 5,8896⁻²
\]
Kadangi koncentracija negali būti neigiama, pasirenkame teigiamą šaknį:
\[
x \apytiksliai 0,36
\]
5. NO₂ koncentracija:
\[
[\text{NO}_2]_{eq} = 2x = 2 \cdot 0,36 = 0,72 \, \text{M}
\]
Išvada
Cheminės pusiausvyros supratimas yra labai svarbus norint numatyti, kaip cheminė sistema reaguos tam tikromis sąlygomis. Praktikuodami ir gerai ją suprasdami, galime išspręsti su šia sąvoka susijusias problemas, apibūdinti galutinę sistemos būseną ir suprasti cheminių reakcijų dinamiką uždaroje sistemoje. Atpažinus ir naudojant pusiausvyros konstantą (K_c), bus lengviau numatyti visų rūšių koncentracijas sistemoje, esančioje pusiausvyroje.
