Középszint

1.5.3: Mit olvass le a koncentráció–idő grafikonról?; A legkisebb kényszer elve; Végigvezetett példa: ammóniaszintézis; A katalizátor nem változtatja meg a végső arányt

1.5.3: Mit olvass le a koncentráció–idő grafikonról?; A legkisebb kényszer elve; Végigvezetett példa: ammóniaszintézis; A katalizátor nem változtatja meg a végső aránytA tanulási sorrend: Mit olvass le a koncentráció–idő grafikonról?; A legkisebb kényszer elve; Végigvezetett példa: ammóniaszintézis; A katalizátor nem változtatja meg a végső arányt.Mit olvass le akoncentráció–időgrafikonról?A legkisebbkényszer elveVégigvezetettpélda:ammóniaszintézisA katalizátor nemváltoztatja meg avégső arányt
Adattáblázat megtekintése
SorrendRész
1Mit olvass le a koncentráció–idő grafikonról?
2A legkisebb kényszer elve
3Végigvezetett példa: ammóniaszintézis
4A katalizátor nem változtatja meg a végső arányt

1.5.3: Mit olvass le a koncentráció–idő grafikonról?; A legkisebb kényszer elve; Végigvezetett példa: ammóniaszintézis; A katalizátor nem változtatja meg a végső arányt

1.5.3: Mit olvass le a koncentráció–idő grafikonról?; A legkisebb kényszer elve; Végigvezetett példa: ammóniaszintézis; A katalizátor nem változtatja meg a végső aránytA tanulási sorrend: Mit olvass le a koncentráció–idő grafikonról?; A legkisebb kényszer elve; Végigvezetett példa: ammóniaszintézis; A katalizátor nem változtatja meg a végső arányt.Mit olvass le a koncentráció–idő grafikonról?A legkisebb kényszer elveVégigvezetett példa: ammóniaszintézisA katalizátor nem változtatja meg a végsőarányt
Adattáblázat megtekintése
SorrendRész
1Mit olvass le a koncentráció–idő grafikonról?
2A legkisebb kényszer elve
3Végigvezetett példa: ammóniaszintézis
4A katalizátor nem változtatja meg a végső arányt
Dinamikus egyensúly → koncentrációgörbék → beavatkozások → egyensúlyi állandó

Mitől dinamikus az egyensúly?

Megfordítható reakcióban a termékekből a kiindulási anyagok is visszaképződhetnek. Ha kezdetben főleg reagensek vannak, az előrehaladó folyamat dominálhat; a termékek felhalmozódásával a visszaalakulás is jelentőssé válik. Zárt rendszerben, változatlan körülmények között kialakulhat az az állapot, amelyben a két ellentétes folyamat sebessége azonos.

A dinamikus egyensúly makroszkopikusan állandó összetételt jelent, miközben részecskeszinten folyamatos az átalakulás. Nem kell azonos koncentráció a két oldalon: azonos sebesség kell. A következő grafikon ennek kialakulását mutatja.

Mit olvass le a koncentráció–idő grafikonról?

Az ammóniaszintézis koncentráció–idő grafikonja

Az ammóniaszintézis koncentráció–idő grafikonjaA nitrogén koncentrációja 1,00-ról 0,600-ra, a hidrogéné 2,40-ről 1,20-ra csökken; az ammóniáé 0-ról 0,800 mol/dm^{3}-re nő. Mindhárom görbe vízszintes egyensúlyi szakaszba ér.0,00,51,01,52,02,502468N2 + 3 H2 ⇌ 2 NH3c (mol/dm3)idő, t (szemléltető egység)egyensúlyi platóN2: 0,6H2: 1,2NH3: 0,8Szemléltető koncentrációk; a görbék nem mérési adatok.
Adattáblázat megtekintése
AnyagKiindulás (moldm3)Egyensúly (moldm3)Változás (moldm3)
N21,000,600−0,400
H22,401,20−1,20
NH300,800+0,800
A három görbe ugyanazt a reakcióelőrehaladást mutatja: 0,400 moldm3 N2 és 1,20 moldm3 H2 fogyásához 0,800 moldm3 NH3 keletkezése tartozik.

A kiindulási koncentrációt az adott anyag görbéjének időbeli kezdőértéke, az egyensúlyi koncentrációt a későbbi vízszintes szakasz adja. A plató a nettó koncentrációváltozás megszűnését jelzi, nem a részecskék leállását. Ha beavatkozáskor az egyik görbe hirtelen ugrik, az közvetlen anyagbevitelt, anyagelvonást vagy térfogatváltozást jelezhet; az ezt követő lassú változás már az új egyensúly kialakulása.

A görbe meredeksége a koncentrációváltozás sebességével függ össze. Egy adott anyag fogyásának vagy keletkezésének sebességét mindig az időegységre jutó változással értelmezd.

A legkisebb kényszer elve

Három beavatkozás az ammóniaszintézisnél

N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g), ΔᵣH < 0. Mindegyik animáció ugyanabból az egyensúlyból indul, és egyetlen külső hatást változtat meg.

1. Nyomás: összenyomás

  1. Beavatkozás: Állandó hőmérsékleten csökken a térfogat, ezért nő a nyomás.
  2. Miért erre? Bal oldalon 1 + 3 = 4, jobb oldalon 2 mol gáz szerepel. A termékoldalon kevesebb a gázrészecske.
  3. Új egyensúly: Az egyensúly az NH3-képződés felé tolódik. Az összenyomás után mindegyik gáz koncentrációja azonnal nő; csak ezután változik az összetétel a termékoldal javára.

2. Hőmérséklet: melegítés

  1. Beavatkozás: Hőt közlünk a rendszerrel.
  2. Miért erre? Az ammóniaképződés exoterm (ΔrH < 0), ezért a visszaalakulás az endoterm irány.
  3. Új egyensúly: Az egyensúly a N2 és H2 felé tolódik. Az egyensúlyi NH3-arány és Kc csökken. Hűtéskor az irány fordított: több NH3 képződik, Kc nő.

3. Koncentráció: N₂ hozzáadása

  1. Beavatkozás: Állandó térfogaton és hőmérsékleten nitrogént adunk az elegyhez.
  2. Miért erre? A hozzáadott N2 koncentrációja azonnal ugrik; a rendszer ezután a többlet egy részét elfogyasztja.
  3. Új egyensúly: Az egyensúly az NH3-képződés felé tolódik. [N2] a hirtelen ugrás után részben csökken, [NH3] fokozatosan nő. Azonos hőmérsékleten Kc változatlan.

Ha egy egyensúlyban lévő rendszer körülménye megváltozik, a nettó folyamat olyan irányban indul meg, amely részben ellensúlyozza a változtatás hatását. Ez nem azt jelenti, hogy a rendszer teljesen visszaállítja a régi állapotot. Mindig írd fel a rendezett egyenletet, jelöld a gázrészecskék számát és a reakcióhő előjelét, majd külön vizsgáld a beavatkozást.

  • Ha egy reagens koncentrációját növeled, általában a fogyasztása felé tolódik az egyensúly; a termék elvonása általában a termékképződést segíti.

  • Összenyomáskor, azonos hőmérsékleten, a kevesebb gázrészecskét tartalmazó oldal kedvezőbb. Azonos gázmólszámnál nincs ilyen irányú eltolódás.

  • Melegítés az endoterm irányt, hűtés az exoterm irányt kedvezményezi. A reakcióhő előjele a felírt előreirányra vonatkozik.

ΔrH < 0.

N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g)

Végigvezetett példa: ammóniaszintézis

Bal oldalon négy, jobb oldalon két mol gázrészecske szerepel. Állandó hőmérsékleten, összenyomáskor a termékoldal felé tolódik az egyensúly. A hőmérséklet emelése a vissza-, azaz endoterm irányt kedvezményezi, bár a reakció általában gyorsabbá válik. A keletkező ammónia eltávolítása újabb ammónia képződését segíti.

Az iparban a hőmérsékletet nem lehet kizárólag az egyensúlyi hozam alapján választani: a túl alacsony hőmérséklet kedvezőbb egyensúlyt adhat, de a reakció túl lassú lenne. A katalizátor ezt a sebességi nehézséget csökkenti.

A katalizátor nem változtatja meg a végső arányt

A katalizátor kisebb aktiválási energiájú reakcióutat tesz lehetővé. A megfordítható reakció mindkét iránya gyorsul, ezért az egyensúly hamarabb áll be. Azonos hőmérsékleten a katalizátor nem változtatja meg az egyensúlyi állandót, a reakcióhőt és az egyensúlyi összetételt.

Dinamikus kémiai egyensúly két ellentétes reakcióval

Dinamikus kémiai egyensúly két ellentétes reakcióvalA kiindulási anyagok és termékek között ellentétes irányú nyilak jelzik az oda- és visszareakciót. Egyensúlyban a két sebesség azonos.Kiindulási anyagokTermékekv(oda)v(vissza)Egyensúlyban: v(oda) = v(vissza)A részecskeátalakulás mindkét irányban folytatódik.
Azonos reakciósebesség mellett a koncentrációk állandók, de nem feltétlenül egyenlők.

Az érettségin használható kapcsolatok

  • Állandó külső körülmények között, zárt rendszerben dinamikus egyensúly alakulhat ki: az oda- és visszaalakulás sebessége azonos. A koncentrációk állandók, de nem szükségképpen egyenlők.

  • Az egyensúlyi állapot makroszkopikusan változatlan, részecskeszinten azonban mindkét irányú reakció folyamatosan zajlik.

  • Le Châtelier elve szerint az egyensúly a külső változás hatását csökkentő irányba tolódik. Anyag hozzáadása vagy elvonása, nyomásváltozás és hőmérséklet-változás külön vizsgálandó.

  • Gázegyensúlynál a térfogat csökkentése a kevesebb gázrészecske felé tolhatja az egyensúlyt; ha a reakcióegyenlet két oldalán azonos a gázok sztöchiometriai együtthatóinak összege, az állandó hőmérsékleten végzett összenyomás nem okoz ilyen eltolódást.

  • A hőmérséklet-változást úgy kezeld, mintha a hő is reakciópartner lenne: exoterm előre reakciónál melegítés a kiindulási anyagok, hűtés a termékek felé tol.

  • A katalizátor mindkét irányú reakciót gyorsítja, ezért hamarabb áll be ugyanaz az egyensúly, de az egyensúlyi összetétel nem változik.

Felidéző gyakorlás

Az N2 + 3 H2 ⇌ 2 NH3 egyensúly előrehaladó reakciója exoterm. Mi történik az egyensúlyi ammóniahozammal melegítéskor, állandó nyomáson?

Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.

Válassz egy választ
Középszintű követelmények · 1.5.3

Középszinten értsd a megfordítható folyamatot, a dinamikus egyensúly kialakulását, valamint a kiindulási és egyensúlyi koncentráció közti különbséget. Elemezd az anyagbevitel/elvonás, a térfogat- és nyomásváltozás, továbbá a hőmérséklet-változás hatását. Az N2 + 3 H2 ⇌ 2 NH3 egyensúlyon alkalmazd a legkisebb kényszer elvét, és magyarázd a katalizátor szerepét.

Forrás: Oktatási Hivatal, 1.5.3, 13. oldal.

Középszintű érettségi mintafeladat

Válaszolj az alfejezethez tartozó következő kérdésekre. (6 pont)

  1. Mit jelent a dinamikus egyensúly? (3 pont)
  2. Miért nem áll le a reakció az egyensúly beálltakor? (3 pont)
Középszintű mintamegoldás és részletes pontozás
  1. Egyensúlyban az oda- és visszaalakulás sebessége azonos (1 pont).
    A koncentrációk állandók (1 pont), de nem szükségképpen egyenlők;
    a rendszer makroszkopikusan változatlan (1 pont).
  2. A részecskék továbbra is ütköznek és átalakulnak (1 pont).
    Mindkét irányú folyamat zajlik (1 pont), de időegység alatt a sztöchiometriára vonatkoztatva azonos átalakulás történik a két irányban, ezért nincs nettó változás (1 pont).

Összesen: 6 pont. A pontozás a jegyzet gyakorlófeladatához készült.

Források