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
Adattáblázat megtekintése
| Sorrend | Rész |
|---|---|
| 1 | Mit olvass le a koncentráció–idő grafikonról? |
| 2 | A legkisebb kényszer elve |
| 3 | Végigvezetett példa: ammóniaszintézis |
| 4 | 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 arányt
Adattáblázat megtekintése
| Sorrend | Rész |
|---|---|
| 1 | Mit olvass le a koncentráció–idő grafikonról? |
| 2 | A legkisebb kényszer elve |
| 3 | Végigvezetett példa: ammóniaszintézis |
| 4 | A katalizátor nem változtatja meg a végső arányt |
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
Adattáblázat megtekintése
| Anyag | Kiindulás (moldm3) | Egyensúly (moldm3) | Változás (moldm3) |
|---|---|---|---|
| N2 | 1,00 | 0,600 | −0,400 |
| H2 | 2,40 | 1,20 | −1,20 |
| NH3 | 0 | 0,800 | +0,800 |
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
- Beavatkozás: Állandó hőmérsékleten csökken a térfogat, ezért nő a nyomás.
- Miért erre? Bal oldalon 1 + 3 = 4, jobb oldalon 2 mol gáz szerepel. A termékoldalon kevesebb a gázrészecske.
- 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
- Beavatkozás: Hőt közlünk a rendszerrel.
- Miért erre? Az ammóniaképződés exoterm (ΔrH < 0), ezért a visszaalakulás az endoterm irány.
- 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
- Beavatkozás: Állandó térfogaton és hőmérsékleten nitrogént adunk az elegyhez.
- Miért erre? A hozzáadott N2 koncentrációja azonnal ugrik; a rendszer ezután a többlet egy részét elfogyasztja.
- 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
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.
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)
- Mit jelent a dinamikus egyensúly? (3 pont)
- Miért nem áll le a reakció az egyensúly beálltakor? (3 pont)
Középszintű mintamegoldás és részletes pontozás
- Egyensúlyban az oda- és visszaalakulás sebessége azonos (1 pont).
A koncentrációk állandók (1 pont), de nem szükségképpen egyenlők;
a rendszer makroszkopikusan változatlan (1 pont). - 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.