Η
Ισορροπία νοείται συνήθως ως μια ειδική κατάσταση ενός συστήματος ή σώματος, όταν όλες οι επιρροές που ασκούνται σε αυτό αντισταθμίζουν η μία την άλλη. Ή απουσιάζει εντελώς. Στη χημεία, η έννοια της ισορροπίας εφαρμόζεται σε αντιδράσεις που συμβαίνουν μεταξύ διαφόρων ουσιών ή μάλλον στις συνθήκες εμφάνισής τους.
Η έννοια της ισορροπίας
Οι χημικές αντιδράσεις έχουν πολλές ταξινομήσεις σύμφωνα με διάφορα κριτήρια, αλλά μιλώντας για χημική ισορροπία, πρέπει να θυμόμαστε τι είναι αναστρέψιμες και μη αναστρέψιμες αντιδράσεις.
Αν ως αποτέλεσμα μιας αντίδρασης σχηματιστούν προϊόντα που δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, μιλούν για μη αναστρέψιμες αντιδράσεις, δηλαδή πηγαίνουν μόνο προς την κατεύθυνση προς τα εμπρός. Συνήθως, ένα από τα προϊόντα σε αυτά είναι μια αέρια, ελαφρώς διασπώμενη ή αδιάλυτη ένωση. Για παράδειγμα:
Pb(ΟΧΙ3)2 + 2ΗCl PbCl2↓ + 2HNO 3
Na2CO3 + 2ΗCl 2NaCl + CO2↑ + Η 2O
NaOΗ + ΗCl NaCl + Η2O
Τα προϊόντα των αναστρέψιμων αντιδράσεων μπορούν να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους, σχηματίζοντας έτσι τις αρχικές ουσίες, δηλαδήδύο αντίθετα κατευθυνόμενες αντιδράσεις συμβαίνουν ταυτόχρονα. Εάν κάποια στιγμή, υπό ορισμένες συνθήκες, ο ρυθμός της μπροστινής αντίδρασης είναι ίσος με τον ρυθμό της αντίστροφης, τότε δημιουργείται χημική ισορροπία.
Θα πρέπει να αναφερθεί ότι μια τέτοια ισορροπία χαρακτηρίζεται ως δυναμική. Με άλλα λόγια, και οι δύο αντιδράσεις συνεχίζονται, αλλά οι συγκεντρώσεις όλων των συμμετεχόντων παραμένουν αμετάβλητες και ονομάζονται ισορροπία.
Μαθηματικά, αυτή η κατάσταση εκφράζεται χρησιμοποιώντας τη σταθερά ισορροπίας (Kp). Έστω ότι υπάρχει αλληλεπίδραση ουσιών που περιγράφεται από την εξίσωση αΑ + bB сС + dD. Για αντίθετες αντιδράσεις, μπορεί κανείς να γράψει τύπους για τον υπολογισμό των ταχυτήτων τους μέσω του νόμου των ενεργών μαζών. Εφόσον αυτοί οι ρυθμοί θα είναι ίσοι στην κατάσταση ισορροπίας, είναι δυνατόν να εκφραστεί ο λόγος των σταθερών ρυθμού δύο αντίθετων αντιδράσεων. Εδώ θα είναι αριθμητικά ίση με τη σταθερά ισορροπίας.
Η τιμή του Kr βοηθά στον προσδιορισμό της πληρότητας των συνεχιζόμενων αντιδράσεων. Εάν Kp<1, τότε η αντίδραση στην προς τα εμπρός κατεύθυνση σχεδόν δεν προχωρά. Εάν Кр>1, τότε η ισορροπία μετατοπίζεται στα προϊόντα.
Τύποι ισορροπίας
Η χημική ισορροπία είναι αληθής, φαινομενική και ψευδής. Τα σημάδια για την πραγματική ισορροπία είναι:
- Αν δεν υπάρχει εξωτερική επιρροή, τότε παραμένει αμετάβλητη στο χρόνο.
- Αν αλλάξουν οι εξωτερικές επιρροές (αυτό ισχύει για τη θερμοκρασία, την πίεση κ.λπ.), τότε αλλάζει και η κατάσταση του συστήματος. Αλλά πρέπει να επιστρέψει κανείς τις αρχικές τιμές των συνθηκών,το υπόλοιπο αποκαθίσταται αμέσως.
- Η κατάσταση της πραγματικής ισορροπίας μπορεί να επιτευχθεί τόσο από την πλευρά των προϊόντων μιας χημικής αντίδρασης όσο και από τις αρχικές ουσίες.
Αν τουλάχιστον μία από αυτές τις συνθήκες δεν ικανοποιείται, τότε λέμε ότι μια τέτοια ισορροπία είναι εμφανής (μετασταθή). Εάν η κατάσταση του συστήματος αρχίσει να αλλάζει αμετάκλητα όταν αλλάζουν οι εξωτερικές συνθήκες, τότε μια τέτοια ισορροπία ονομάζεται ψευδής (ή παρεμποδισμένη). Ένα παράδειγμα του τελευταίου είναι η αντίδραση του σιδήρου με το οξυγόνο.
Η έννοια της ισορροπίας είναι κάπως διαφορετική όσον αφορά τη θερμοδυναμική και την κινητική. Η θερμοδυναμική ισορροπία νοείται ως η ελάχιστη τιμή της ενέργειας Gibbs για ένα συγκεκριμένο σύστημα. Η πραγματική ισορροπία χαρακτηρίζεται από ΔG=0. Και για την κατάσταση για την οποία εξισώνονται οι ρυθμοί μπροστινών και αντίστροφων αντιδράσεων, δηλαδή v1=v2, λένε, τι είναι η ισορροπία - κινητική.
Αρχή Le Chatelier
Ο Henri Le Chatelier μελέτησε τα μοτίβα της μεταβολής της ισορροπίας τον 19ο αιώνα, αλλά συνόψισε όλα αυτά τα έργα και διατύπωσε την αρχή της κινούμενης ισορροπίας αργότερα Karl Brown:
εάν ένα σύστημα ισορροπίας ασκηθεί από έξω, τότε η ισορροπία θα αλλάξει προς την κατεύθυνση της μείωσης του παραγόμενου αντίκτυπου
Με άλλα λόγια, εάν υπάρχει κάποια επίπτωση στο σύστημα ισορροπίας, τείνει να αλλάζει με τέτοιο τρόπο ώστε αυτή η επίδραση να είναι ελάχιστη.
Μετατόπιση ισορροπίας
Ας εξετάσουμε τις συνέπειες της αρχής Le Chatelier χρησιμοποιώντας το παράδειγμα της εξίσωσηςαντιδράσεις:
N2+ 3Η22NΗ3+ Q.
Αν αυξήσετε τη θερμοκρασία, τότε η ισορροπία θα μετατοπιστεί προς μια ενδόθερμη αντίδραση. Σε αυτό το παράδειγμα, απελευθερώνεται θερμότητα, που σημαίνει ότι η άμεση αντίδραση είναι εξώθερμη και η ισορροπία θα μετατοπιστεί στις αρχικές ουσίες.
Αν αυξήσετε την πίεση, θα οδηγήσει σε μετατόπιση της ισορροπίας σε μικρότερους όγκους αερίων ουσιών. Στο παραπάνω παράδειγμα, υπάρχουν 4 γραμμομόρια αέριων πρώτων υλών και 2 γραμμομόρια αέριων προϊόντων, πράγμα που σημαίνει ότι η ισορροπία θα μετατοπιστεί στα προϊόντα της αντίδρασης.
Αν αυξήσετε τη συγκέντρωση της αρχικής ουσίας, η ισορροπία θα μετατοπιστεί προς την κατεύθυνση της άμεσης αντίδρασης και αντίστροφα. Έτσι, αν αυξήσετε τη συγκέντρωση του N2 ή του Η2, τότε η ισορροπία θα μετατοπιστεί προς τα εμπρός και εάν η αμμωνία - τότε σε η αντίθετη κατεύθυνση.
