HEMIJSKA RAVNOTEŽA.

Transcript

1 HEMIJSA RAVOTEŽA htt://

2 HEMIJSA RAVOTEŽA - regled Uslov hemjske ravnoteže Reverzblne hemjske reakcje arakterstke hemjske ravnoteže Termodnamčka, formalna koncentracona konstanta ravnoteže Hemjska ravnoteža u heterogenm sstemma Le Šateljeov rnc Utcaj temerature rtska na konstantu ravnoteže Termodnamčk uslov hemjske reakcje konstanta ravnoteže

3 Termodnamčka ravnoteža obuhvata: Mehančku ravnotežu - stanje u kome ne ostoj kretanja unutar sstema Termčku ravnotežu stanje u kome je temeratura konstantna u svm delovma sstema, odnosno ne ostoj renos tolote. Hemjsku ravnotežu - stanje u kome se sastav sstema ne menja, odnosno kolčne reaktanata rodukata ostaju u konstantom odnosu neogrančeno vreme, ukolko se soljašnj uslov ne romene. Ilustracja mehančke ravnoteže Ilustracja termčke ravnoteže 3

4 Hemjska ravnoteža je određena oštm termodnamčkm uslovma za ravnotežu sstema: Maksmum entroje r uslovma konstante unutrašnje energje temerature, S U,T Mnmum unutrašnje energje r uslovma konstantne zaremne entroje, U V,S Mnmum entalje r uslovma konstantnog rtska entroje, H,S Mnmm Helmholcove funkcje r uslovma konstantne zaremne temerature, A V,T Mnmum Gbsove funkcje r uslovma konstantnog rtska temerature, G,T

5 POVRATE (REVERZIBILE) HEMIJSE REACIJE Povratna hemjska reakcja (reverzblna reakcja) je hemjska reakcja u kojoj reaktant međusobno reaguju gradeć rozvode koj sto međusobno reaguju gradeć očetne reaktante. Reverzblna reakcja se sastoj od dve reakcje koje se odvjaju u surotnm smerovma: drektna reakcja - reakcja stvaranja rozvoda z reaktanata (najčešće reakcja u desno ) ovratna rekacja - reakcja stvaranja olaznh reaktanata z njhovh rozvoda (najčešće reakcja u levo ) Prmer reverzblne reakcje: H 4 Cl(s) H 3 (g) + HCl(g) 5

6 HEMIJSA RAVOTEŽA od ovratne reakcje u zatvorenom sstemu, nakon zvesnog vremena se usostavlja hemjska ravnoteža, kada su brzne drektne ovratne reakcje međusobno jednake. A + B C + D reaktant rozvod Homogena heterogena ravnoteža Homogena ravnoteža sv učesnc u hemjskoj reakcj (reaktant rozvod) su u stom agregatnom stanju Heterogena ravnoteža učesnc hemjske reakcje (rektant rozvod) nsu u stom agregatnom stanju 6

7 arakterstke ravnotežnog stanja: Pr konstantnm uslovma ravnotežno stanje je neromenljvo. Ravnoteža je okretna, jer ako romenom soljašnjh uslova zazovemo malu romenu ravnoteže, r restanku dejstva sstem će se vratt onovo u očetno stanje. Ravnotež se može rć sa obe strane od reaktanata od rodukata. Ravnoteža je dnamčka, a su stoga značajn arametr koj utču na brznu reakcje. 7

8 ako je aoleon omogao da se otkrje reverzblnost reakcja? a CO 3 + CaCl CaCO 3 + acl CaCO 3 + acl a CO 3 + CaCl??? aoleon Bonaarte Claude Lous Berthollet 8

9 TERMODIAMIČA OSTATA RAVOTEŽE Termodnamčka (rava) konstanta ravnoteže redstavlja rozvod ravnotežnh aktvnost učesnka u hemjskoj reakcj odgnuth na odgovarajuće stehometrjske koefcjente. a, konstanta ravnoteže - rozvod a, aktvnost vrste u ravnotežnom stanju - stehometrjsk koefcjent vrste Termodnamčka konstanta ravnoteže je bezdmenzona velčna. Termodnamčka konstanta ravnoteže je oztvna velčna. Prmer: + A + A 3A3 4 A a a a a a a4 a a A hemjska oznaka vrste - stehometrjsk koefcjent vrste 9

10 FORMALA OSTATA RAVOTEŽE Formalna (rvdna) konstanta ravnoteže: formalna (rvdna konstanta ravnoteže), Π - rozvod P, arcjaln rtsak -tog gasa u ravnotežnom stanju rtsak čstog gasa u standardnom stanju - stehometrjsk koefcjent vrste Za dealan gas Prmer: Snteza amonjaka (Haber roces) ( g ) + 3H,( g ) H 3( g ) H 3, 53 bar - r T 4, 3 H

11 Prmer: asat zraz za konstantu ravnoteže sledećh reakcja:. O 4 (g) O (g) Izračunat vrednost konstante ravnoteže date reakcje ako je arcjaln rtsak O,56 atm arcjaln rtsak O 4,49 atm.. O 3 (g) 3O (g) 3. O (g) +Cl (g) OCl (g)

12 OCETRACIOA OSTATA RAVOTEŽE oncentracona konstanta ravnoteže: c c c c koncentracona konstanta ravnoteže rozvod c, koncentracja vrste u ravnotežnom stanju c koncentracja u standardnom stanju, občno jednčne vrednost - stehometrjsk koefcjent vrste Prmer: Esterfkacja srćetne kselne CH COOH + C H OH CH COOC H + 3 ( l) 5 ( l ) 3 5( l ) ( l) H O [ CH 3COOC H 5 ][ H O] [ CH COOH ][ C H OH ] 3 5

13 Prmer: asat zraz za konstantu ravnoteže sledećh reakcja:. Ag + (aq) + H 3 (aq) Ag[H 3 ] + (aq). HF (aq) + C O 4 - (aq) F - (aq) + H C O 4 (aq)

14 HEMIJSA RAVOTEŽA U HETEROGEIM SISTEMIMA A + B j j j A vrste u gasnoj faz B j vrste u kondezovanoj faz (tečna l čvrsta) aktvnost a j - stehometrjsk koefcjent Aktvnost čvrsth sustanc je jednaka. Prmer: () C( graft ) + H O CO + H ( g) ( g) ( g) 4 Π aco ah aco a H a, (ac ) a a a C H O H O CO H HO () CaCO CaO + CO 3( s) ( s) ( g) 3 a a CaO a CO, a ( CO a CaCO a 3 CaO a CaCO 3 ) CO P CO P P P P 4

15 Prmer: asat konstantu ravnoteže sledećh reakcja. PbCl (s) Pb + (aq) + Cl - (aq). AgBr(s) + ½ Cl (g) AgCl(s) + ½ Br (l) 3. acl(aq) + AgO 3 (aq) ao 3 (aq) + AgCl(s) 4. H 4 Cl(s) H 3 (g) + HCl(g)

16 Šta vrednost konstante ravnoteže znač? onstanta ravnoteže može mat vrednost već l manju od jedan. Šta taj broj znač?! Vrednost konstante ravnoteže daje nformacju o sastavu ravnotežne smeše. Velke vrednost konstante ravnoteže, >>, znače da ravnoteža lež udesno u ravnotežnoj smeš reovlađuju rodukt. Veoma male vrednost konstante ravnoteže, <<, znače da ravnoteža lež ulevo u ravnotežnoj smeš reovalđuju reaktant. >> << REATATI PROIZVODI REATATI PROIZVODI

17 UPOTREBA OSTATE RAVOTEŽE Određvanje ravnotežnog sastava reakcone smeše Prmer: Esterfkacja srćetne kselne CH COOH + C H OH CH COOC H + 3 ( l) 5 ( l ) 3 5( l ) ( l) selna Alkohol Estar Voda H O očetna kolčna ravnotežna kolčna ravnotežna koncentracja n,ks n,alk n,ks - n n,alk - n n n (n,ks n)/v (n,alk n)/v n/v n/v c ( n / V ) ( n / V ) n n ( n n) / V ( n n) / V ( n n) ( n n), ks, alk, ks, alk... Prmena u ndustrj, nr. snteza amonjaka

18 UTICAJ A OSTATU RAVOTEŽE Le Châteler-ov rnc: ada je ravnotežn sstem zveden z ravnoteže on će se reorganzovat na takav načn kojm će se obezbedt maksmalna neutralzacja zazvanh oremećaja. H. L. LeChâteler Utcaj koncentracje na konstantu ravnoteže Utcaj rtska na konstantu ravnoteže Utcaj temerature na konstantu ravnoteže

19 UTICAJ OCETRACIJE A OSTATU RAVOTEŽE Vrednost konstante ravnoteže nezavsna je od koncentracje reaktanata! Prmer: Esterfkacja srćetne kselne CH COOH + C H OH CH COOC H + 3 ( l) 5 ( l ) 3 5( l ) ( l) [ CH COOCH 5 ][ H O] [ CH COOH ][ C H OH ] 3 3 4, na T 5 H C O n,ks /mol n,alk /mol n,estar /mol n,voda /mol c,8,7,7 3,9,,667,667 4, 8,,966,966 3,9 Šta se dešava ako se u ravnotežnu reakconu smešu doda malo vode?

20 UTICAJ PRITISA A OSTATU RAVOTEŽE ln rg RT Π a, a, G RT r ln ln rg RT Van t Hoff-ova reakcona zoterma ( G ) ln r P T RT P T. r G konstanta ne zavs od rtska a je ln P Vrednost konstante ravnoteže nezavsna je od romene rtska! T ako orast rtska utče na hemjsku ravnotežu? Prmer: () Snteza amonjaka ( g ) + H,( g ) 3 H 3( g ) () Dsocjacja O 4 O O 4( g ) ( g )

21 UTICAJ TEMPERATURE A OSTATU RAVOTEŽE G RT r ln rg rh T rs rs rh ln R RT Van t Hoff-ova reakcona zohora ( ln ) H T P r RT l T ( ln ) H P r R Promena temerature vod romen oložaja ravnoteže koja se može defnsat vrednošću termodnamčke konstante ravnoteže! Za entalju reakcje nezavsnu od temerature (u oštem slučaju entalja reakcje se menja sa temeraturom): onstanta ravnoteže egzotermne reakcje (Δ r H < ) oada sa orastom temerature. Zavsnost ln od /T za reakcju: + O O Δ r H 8 kj mol Δ r S 6, kj mol onstanta ravnoteže endotermne reakcje (Δ r H > ) raste sa orastom temerature.

22 ako orast temerature utče na hemjsku ravnotežu? Endotermne reakcje rrast temerature favorzuje stvaranje rodukata Egzotermne reakcje rrast temerature favorzuje stvaranje reaktanata Prmer: () Snteza amonjaka ( g ) + 3H,( g ) H 3( g ) Δr Η 9,kJmol r T 5 C () Dsocjacja O 4 O4( g ) O( g ) endotermna reakcja

23 TERMODIAMIČI USLOV HEMIJSE REACIJE I OSTATA RAVOTEŽE Termodnamčk uslov sontanost reakcje u uslovma konstantnog rtska temerature: r G < 3

24 Odnos romene standardne slobodne energje konstante ravnoteže hemjske reakcje: r G - RTln r G >> << Reakcja je raktčno neostvarva r G > (u okoln vrednost blske nul) < Reakcja se ak rmetno ostvaruje r G << >> Reakcja se sontano ostvaruje 4

25 Odnos romene standardne entalje entroje konstante ravnoteže hemjske reakcje: r G r H - T r S - RTln Za r H r S nezavsne od temerature: r H < r S > r G < ( > ) za blo koju zabranu temeraturu Reakcja je termodnamčk moguća na svm T r H > r S > r G < ( > ) na všm temeraturama Reakcja je termodnamčk ovoljna na všm T r H < r S < r G < ( > ) na nžm temeraturama Reakcja je termodnamčk ovoljna na nžm T Temeraturska zavsnost članova jednačne r G r H - T r S za slučaj r H > r S > 5

26 Izračunavanje temerature na kojoj standardna Gbsova reakcona funkcja menja znak z oztvnog u negatvan, tj. znad koje se reakcja dešava sontano: r G r H T r S T r H S r Prmer: Ekstrakcja metalnog bakra z bakara(i) oksda omoću ugljenka Cu O + C Cu + CO ( S ) ( s) ( s) ( g ) r H 58. kjmol, S r 65 J - T 35 (79 C) r H, r S r r G G ( << ) ( > ) za T za T

27 HEMIJSA RAVOTEŽA - regled Hemjska ravnoteža se odnos na stanje u kome se drektna ovratna reakcja odvjaju stom brznom. onstanta ravnoteže se može zrazt kao - termodnamčka l rava konstanta ravnoteže - formalna l rvdna konstanta ravnoteže (za gasove) - koncentracona konstanta ravnoteže (za rastvore) Aktvnost čsth čvrsth sustanc tečnost je jednaka jednc a se ne uključuju u zraz za termodnamčku konstantu ravnoteže. Vrednost veća od znač da je ravnoteža omerena u smeru stvaranja rodukata da u ravnotežnoj smeš ma vše rodukata. Vrednost manja od znač da je ravnoteža omerena u smeru stvaranja reaktanata da u ravnotežnoj smeš ma vše reaktanata. 7

28 Prlog Izvođenje zraza za Termodnamčku (ravu) konstantu ravnoteže Formalnu (rvdnu) konstantu ravnoteže oncentraconu konstantu ravnoteže 8

29 HEMIJSA RAVOTEŽA - regled Uslov hemjske ravnoteže Reverzblne hemjske reakcje arakterstke hemjske ravnoteže Termodnamčka, formalna koncentracona konstanta ravnoteže Hemjska ravnoteža u heterogenm sstemma Le Šateljeov rnc Utcaj temerature rtska na konstantu ravnoteže Termodnamčk uslov hemjske reakcje konstanta ravnoteže 9

30 TERMODIAMIČA OSTATA RAVOTEŽE rg µ µ µ + RT ln a U ravnotež: Termodnamčka (rava) konstanta ravnoteže ( ln ) ln rg RT a RT a µ + µ + rg rg RT a + ln. G µ, r ln rg RT Π a, a, r G µ Δ r G reakcona Gbsova funkcja Δ r G standardna reakcona Gbsova funkcja - stehometrjsk koefcjent μ hemjsk otencjal vrste μ standardn hemjsk otencjal vrste R unverzalna gasna konstanta T temeratura a aktvnost vrste a, aktvnost vrste u ravnotežnom stanju ln rrodn logartam, tj. logartam sa osnovom e, e- raconalna konstanta - zbr П - rozvod 3

31 FORMALA OSTATA RAVOTEŽE FORMALA OSTATA RAVOTEŽE 3 a, Π Termodnamčka konstanta ravnoteže a aktvnost -tog gasa u smeš stehometrjsk koefcjent arcjaln rtsam -tog gasa u smeš rtsak čstog gasa u standardnom stanju f arcjalna fugasnost -tog gasa u smeš Ф koefcjent fugasnost -tog gasa u smeš f, Ф u standardnom stanju f, Ф u stanju ravnoteže f f a Φ Φ Za realan gas f f Π Φ Φ Π Φ Φ Π Π Φ,,,,, Ф maju konstantne vrednost za date uslove Za dealan gas Ф, Ф, * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * Π, Formalna (rvdna) konstantna ravnoteže * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * onstanta koefcjenta fugasnost Φ Φ Π Φ,

32 ( ) x x x x Π Π Π Π,,,,, Π Formalna (rvdna) konstantna ravnoteže: Za dealan gas:, x, nezavsno od x zavs od rtskom se može utcat na sastav ravnotežne reakcone smeše

33 OCETRACIOA OSTATA RAVOTEŽE, Formalna (rvdna) konstantna ravnoteže Π * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *, V n, RT Za dealan gas u ravnotež: n,, RT c, RT V * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * P RT c, P c / c ( ) c koncentracja u standardnom stanju, občno jednčne vrednost P c, c RT c P P c RT c, P c RT P c P c c c c oncentracona konstanta ravnoteže 33

34 Termodnamčka konstanta ravnoteže Π a, a, γ, c, c c, c,, (, ) c c γ γ γ c onstanta koefcjenta aktvnost ( γ, ) γ oncentracona konstanta ravnoteže c, c c γ c maju konstantne vrednost za date uslove Za dealan gas γ, γ, c 34