Középszint

Az egyensúlyi számítás menete

Az egyensúlyi számítás meneteAz emelt szintű számításban a kiindulási koncentrációk és az együtthatóknak megfelelő változások adják az egyensúlyi koncentrációkat.Az egyensúlyi számítás meneteEgyenlet és állapotRendezd az egyenletet; a gázokatés oldott anyagokat azonosítsd.Kiindulási adatokMinden anyagmennyiséget oszd ela rendszer térfogatával.Közös változóA változásokat az együtthatókszerinti egy x-ből írd fel.Egyensúly és ellenőrzésA Kc-be az egyensúlyi adatokathelyettesítsd; ellenőrizd amérleget.
Ábra szöveges leírása
LépésMagyarázat
Egyenlet és állapotRendezd az egyenletet; a gázokat és oldott anyagokat azonosítsd.
Kiindulási adatokMinden anyagmennyiséget oszd el a rendszer térfogatával.
Közös változóA változásokat az együtthatók szerinti egy x-ből írd fel.
Egyensúly és ellenőrzésA Kc-be az egyensúlyi adatokat helyettesítsd; ellenőrizd a mérleget.
Az emelt szintű számításban a kiindulási koncentrációk és az együtthatóknak megfelelő változások adják az egyensúlyi koncentrációkat.

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

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.

HI hozzáadása után azonnali ugrás és az új egyensúlyhoz vezető koncentrációváltozások

HI hozzáadása után azonnali ugrás és az új egyensúlyhoz vezető koncentrációváltozásokAzonos hőmérsékleten és térfogaton a kezdeti egyensúlyban H_{2} és I_{2} egyaránt 0,20, HI 0,40 mol/dm^{3}. HI-t viszünk be úgy, hogy közvetlenül utána 1,20 mol/dm^{3} legyen. Ekkor csak a HI koncentrációja ugrik; a H_{2} és I_{2} kezdetben változatlan. A visszaalakulás során HI fogy, H_{2} és I_{2} keletkezik. Az új egyensúly 0,40; 0,40; 0,80 mol/dm^{3}. A görbék időbeli alakja szemléltetés, nem mért sebességi adat. A függőleges vonal a beavatkozás időpontja; a plató állandó összetételt, nem leállt reakciókat jelent.Ugrás, majd új egyensúlyH2 + I2 ⇌ 2 HIKoncentráció: mol/dm300,40,81,2időA HI hozzáadásának pillanataHI: 0,40 → 1,20 → 0,80H2 és I2: 0,20 → 0,40A két reagens görbéje egybeesik.Az eredeti értékek nem állnak vissza.
Adattáblázat megtekintése
ÁllapotH2 (moldm3)I2 (moldm3)HI (moldm3)
Régi egyensúly0,200,200,40
Közvetlenül HI hozzáadása után0,200,201,20
Új egyensúly0,400,400,80
Azonos hőmérsékleten és térfogaton a kezdeti egyensúlyban H2 és I2 egyaránt 0,20, HI 0,40 mol/dm3. HI-t viszünk be úgy, hogy közvetlenül utána 1,20 mol/dm3 legyen. Ekkor csak a HI koncentrációja ugrik; a H2 és I2 kezdetben változatlan. A visszaalakulás során HI fogy, H2 és I2 keletkezik. Az új egyensúly 0,40; 0,40; 0,80 mol/dm3. A görbék időbeli alakja szemléltetés, nem mért sebességi adat. A függőleges vonal a beavatkozás időpontja; a plató állandó összetételt, nem leállt reakciókat jelent.

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.

BeavatkozásÚj egyensúly felé mutató nettó irányMiért?
N2 hozzáadása, állandó térfogat és hőmérsékletJobbraA bevitt reagens egy része elfogy.
NH3 eltávolításaJobbraA termék pótlása felé halad a reakció.
Összenyomás, állandó hőmérsékletenJobbraA 4 gázrészecskéből 2-t adó irány kedvezőbb.
Térfogatnövelés, állandó hőmérsékletenBalraA több gázrészecskét adó oldal kedvezőbb.
Hőmérséklet emeléseBalraA visszareakció az endoterm irány; az egyensúlyi Kc kisebb lesz.
Hőmérséklet csökkentéseJobbraAz exoterm előrehaladás kedvezőbb; az egyensúlyi Kc nagyobb lesz.
Katalizátor alkalmazásaNincs eltolódásAz 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.

Válassz egy választ
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.

  1. Mit jelent itt a dinamikus egyensúly? (2 pont)
  2. Merre tolódik az egyensúly, ha állandó hőmérsékleten összenyomjuk a gázelegyet?
    Indokold az együtthatókkal. (2 pont)
  3. Merre tolódik a hőmérséklet emelésekor?
    Miért? (2 pont)
  4. Merre hat az ammónia eltávolítása? (1 pont)
  5. Változtatja-e a katalizátor az egyensúly összetételét, és mi a szerepe? (2 pont)
Középszintű mintamegoldás és részletes pontozás
  1. Mit jelent itt a dinamikus egyensúly? (2 pont)Az oda- és visszareakció egyaránt zajlik (1 pont), sebességük egyenlő, ezért az összetétel állandó (1 pont).
  2. 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).
  3. Merre tolódik a hőmérséklet emelésekor? Miért? (2 pont)Balra tolódik (1 pont), mert az előrehaladás exoterm, így melegítéskor az endoterm visszairány kedvezőbb (1 pont).
  4. Merre hat az ammónia eltávolítása? (1 pont)Jobbra, a hiányzó NH3 pótlása felé (1 pont).
  5. 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.