Az egyensúlyi számítás menete
Ábra szöveges leírása
| Lépés | Magyarázat |
|---|---|
| Egyenlet és állapot | Rendezd az egyenletet; a gázokat és oldott anyagokat azonosítsd. |
| Kiindulási adatok | Minden anyagmennyiséget oszd el a rendszer térfogatával. |
| Közös változó | A változásokat az együtthatók szerinti egy x-ből írd fel. |
| Egyensúly és ellenőrzés | A Kc-be az egyensúlyi adatokat helyettesítsd; ellenőrizd a mérleget. |
Mit olvass le a koncentráció–idő grafikonról?
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.
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 |
HI hozzáadása után azonnali ugrás és az új egyensúlyhoz vezető koncentrációváltozások
Adattáblázat megtekintése
| Állapot | H2 (moldm3) | I2 (moldm3) | HI (moldm3) |
|---|---|---|---|
| Régi egyensúly | 0,20 | 0,20 | 0,40 |
| Közvetlenül HI hozzáadása után | 0,20 | 0,20 | 1,20 |
| Új egyensúly | 0,40 | 0,40 | 0,80 |
Le Châtelier elve: merre tolódik az egyensúly?
Ha egy egyensúlyban lévő rendszer körülményeit megváltoztatjuk, a nettó reakció olyan irányba indul, amely mérsékli a változás hatását. Ez nem jelenti azt, hogy az eredeti koncentrációk pontosan visszaállnak. A beavatkozás közvetlen hatását különítsd el az ezt követő, új egyensúlyig tartó reakciótól.
Koncentráció: reagens hozzáadása vagy termék eltávolítása rendszerint a termékképződést segíti; a fordított beavatkozás a visszareakciót. Nyomás: gázreakciónál, állandó hőmérsékleten a térfogat csökkentése a kevesebb gázrészecskét tartalmazó oldalnak kedvez; azonos gázelegyrészecske-szám esetén nincs ilyen eltolódás. Hőmérséklet: melegítés az endoterm, hűtés az exoterm irányt kedvezményezi. Katalizátor: az új egyensúly gyorsabban állhat be, de az egyensúly helye nem változik.
Végigvezetett minőségi példa: ammóniaszintézis
Az N2 + 3 H2 ⇌ 2 NH3 reakció előrehaladása exoterm (ΔrH < 0).
A gázrészecskék együtthatóösszege bal oldalon 4, jobb oldalon 2.
Az alábbi táblázatban a „jobbra” az ammónia nettó képződését jelenti.
| Beavatkozás | Új egyensúly felé mutató nettó irány | Miért? |
|---|---|---|
| N2 hozzáadása, állandó térfogat és hőmérséklet | Jobbra | A bevitt reagens egy része elfogy. |
| NH3 eltávolítása | Jobbra | A termék pótlása felé halad a reakció. |
| Összenyomás, állandó hőmérsékleten | Jobbra | A 4 gázrészecskéből 2-t adó irány kedvezőbb. |
| Térfogatnövelés, állandó hőmérsékleten | Balra | A több gázrészecskét adó oldal kedvezőbb. |
| Hőmérséklet emelése | Balra | A visszareakció az endoterm irány; az egyensúlyi Kc kisebb lesz. |
| Hőmérséklet csökkentése | Jobbra | Az exoterm előrehaladás kedvezőbb; az egyensúlyi Kc nagyobb lesz. |
| Katalizátor alkalmazása | Nincs eltolódás | Az oda- és visszareakció egyaránt gyorsul; Kc nem változik. |
Az iparban a nagyon alacsony hőmérséklet kedvezőbb egyensúlyi ammóniahozamot adna, de lassú reakcióval járna.
A hőmérséklet, a nyomás és a katalizátor megválasztásakor az egyensúlyi hozamot és a reakciósebességet együtt kell mérlegelni.
Az érettségin használható kapcsolatok
- Középszinten a hangsúly a dinamikus egyensúly és Le Châtelier elvének minőségi alkalmazásán van. Kc-számítást csak akkor végezz, ha a feladat vagy a választott vizsgaszint ezt kéri.
- Az egyensúlyi koncentrációk nem feltétlenül azonosak; állandóságuk azt jelzi, hogy az oda- és visszaalakulás sebessége egyenlő.
- Koncentráció-, nyomás- és hőmérséklet-változás hatását külön kezeld. A katalizátor nem változtatja az egyensúly helyét.
- Az eltolódás iránya után mindig mondd ki, mely anyag koncentrációja vagy mennyisége nő/csökken, és különítsd el az azonnali változást az új egyensúly beállásától.
Felidéző gyakorlás
Az exoterm N2 + 3 H2 ⇌ 2 NH3 reakció egyensúlyában állandó térfogaton és hőmérsékleten ammóniát távolítunk el. Mi történik ezután?
Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.
Középszintű követelmények · 4.6
Az OH 4.6 pontjának középszintű oszlopa üres. A jegyzet középszinten látható része az 1.5.3 egyensúlyi ismereteit ismétli: dinamikus egyensúly, állandó összetétel és a körülmények változtatásának minőségi hatása. A grafikonról olvasd le, mely anyag változik azonnal, majd hogyan jut a rendszer új egyensúlyba. A Kc és az átalakulás számítása az emelt részben következik.
Középszintű érettségi mintafeladat
Az ammóniaszintézis egyensúlyi reakciója: N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g), ΔrH < 0.
Indokold az alábbiakat. 9 pont.
- Mit jelent itt a dinamikus egyensúly? (2 pont)
- Merre tolódik az egyensúly, ha állandó hőmérsékleten összenyomjuk a gázelegyet?
Indokold az együtthatókkal. (2 pont) - Merre tolódik a hőmérséklet emelésekor?
Miért? (2 pont) - Merre hat az ammónia eltávolítása? (1 pont)
- Változtatja-e a katalizátor az egyensúly összetételét, és mi a szerepe? (2 pont)
Középszintű mintamegoldás és részletes pontozás
- Mit jelent itt a dinamikus egyensúly? (2 pont)Az oda- és visszareakció egyaránt zajlik (1 pont), sebességük egyenlő, ezért az összetétel állandó (1 pont).
- Merre tolódik az egyensúly, ha állandó hőmérsékleten összenyomjuk a gázelegyet? Indokold az együtthatókkal. (2 pont)Jobbra, az ammóniaképződés felé tolódik (1 pont), mert bal oldalon 1 + 3 = 4, jobb oldalon 2 mol gázrészecske szerepel a rendezett egyenlet szerint (1 pont).
- Merre tolódik a hőmérséklet emelésekor? Miért? (2 pont)Balra tolódik (1 pont), mert az előrehaladás exoterm, így melegítéskor az endoterm visszairány kedvezőbb (1 pont).
- Merre hat az ammónia eltávolítása? (1 pont)Jobbra, a hiányzó NH3 pótlása felé (1 pont).
- Változtatja-e a katalizátor az egyensúly összetételét, és mi a szerepe? (2 pont)Az egyensúlyi összetételt nem változtatja (1 pont), de az oda- és visszareakció gyorsításával hamarabb érhető el az egyensúly (1 pont).
Összesen: 9 pont. A nyomáshatás az összenyomásra vonatkozik, nem tetszőleges nyomásnövelési módra.
Források
Források az ellenőrzéshez: OpenStax Chemistry 2e: egyensúlyi számítások; OpenStax Chemistry 2e: Le Châtelier elve. A számpéldák és a magyar magyarázat saját szerkesztésűek.
Tankönyvi kapcsolódás
Kémia 9–10., I. kötet, 88–91. nyomtatott oldal, 19. lecke: dinamikus egyensúly és befolyásolása. A koncentrációs számítások az OH 4.6 emelt követelményét bontják ki; a rajzok és számpéldák saját szemléltetések.