Άσκηση 7η Χημική Ισορροπία Εργαστήριο Χημείας Τμήμα ΔΕΑΠΤ Πανεπιστήμιο Πατρών
Η έννοια της Χημικής Ισορροπίας Υπάρχουν χηµικές αντιδράσεις που εξελίσσονται προς µία µόνο μόνο κατεύθυνση, όπως π.χ. η σύνθεση του HCl: H 2 +Cl 2 2HCl Η αντίδραση αυτή είναι µονόδροµη ή ποσοτική. Όµως υπάρχουν και χηµικές αντιδράσεις οι οποίες στις ίδιες συνθήκες πραγματοποιούνται ταυτόχρονα και προς τις δύο κατευθύνσεις: H 2 (g) + Ι 2 (g) 2HΙ(g) Η αντίδραση αυτή είναι αμφίδρομη. Οι αμφίδρομες αντιδράσεις οδηγούνται, κάτω από κατάλληλες συνθήκες, σε κατάσταση δυναµικής ισορροπίας, γνωστή ως Χηµική Ισορροπία (Χ.Ι.).
Χαρακτηριστικά Χ.Ι. Η κατάσταση της Χ.Ι. είναι δυναμική και όχι στατική γιατί σε αυτή την κατάσταση η αντίδραση συνεχίζει να πραγµατοποιείται και προς τις δυο κατευθύνσεις µε την ίδια όµως ταχύτητα. Δηλαδή ο ρυθµός διάσπασης του ΗΙ έχει εξισωθεί µε το ρυθµό σχηµατισµού αυτού. Στην κατάσταση Χ.Ι. η σύσταση (ποιοτική και ποσοτική) των αντιδρώντων και προϊόντων παραµένει σταθερή και αµετάβλητη εφόσον οι συνθήκες του πειράµατος (πίεση, θερμοκρασία) παραµένουν σταθερές.
Διαγράμματα C=f(t) & u=f(t) Η 2 (g) + I 2 (g) 2HI(g) (a) 2HI(g) Η 2 (g) + I 2 (g) (β) (a) Η συγκέντρωση του HI είναι στην αρχή µηδέν και αυξάνεται µε την πάροδο του χρόνου, µέχρις ότου σταθεροποιηθεί σε µια ορισµένη τιµή. Αντίθετα, οι συγκεντρώσεις των Η 2 και Ι 2 µειώνονται, µέχρις ότου σταθεροποιηθούν στη θέση X.I. Αντίστροφα ισχύουν για τη διάσπαση του HI (β). (γ) u 1 u 2 (δ) (γ) Το ΗΙ αρχίζει να διασπάται µε ταχύτητα υ 1 η οποία ελαττώνεται καθώς ελαττώνεται η συγκέντρωση του ΗΙ. Μόλις σχηµατιστεί Η 2 και Ι 2 αρχίζει και η αντίθετη αντίδραση µε µία ταχύτητα υ 2 που αυξάνεται. Όταν η υ 1 γίνει ίση µε τη υ 2, το µίγµα Η 2, Ι 2 και ΗΙ αποκτά σταθερή σύσταση κατάσταση Χ.Ι.
Ομογενής & Ετερογενής Χ.Ι. Ομογενή ισορροπία έχουµε όταν τα σώµατα που συµµετέχουν στην ισορροπία (αντιδρώντα και προϊόντα) βρίσκονται στην ίδια φάση (αέρια ή υγρή) Ετερογενή ισορροπία έχουµε όταν τα σώµατα που συµµετέχουν στην ισορροπία (αντιδρώντα και προϊόντα) βρίσκονται σε περισσότερες από µία φάσεις Ν 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) Η 2 (g) + I 2 (g) 2HI(g) CaCO 3 (s) CaO(s) + CO 2 (g)
Στη Χ.Ι. για x=3, n NH3 = 2x=6mol και άρα α = 6mol / 8mol = 0,75 ή Α = 0,75*100 = 75% Απόδοση αντίδρασης Ονοµάζουµε συντελεστή απόδοσης (α) µιας αμφίδρομης αντίδρασης το λόγο της ποσότητας της ουσίας που παράγεται πρακτικά προς την ποσότητα της ουσίας που θα παραγόταν θεωρητικά αν η αντίδραση ήταν ποσοτική. Ο συντελεστής α παίρνει τιμές μεταξύ 0 και 1 (0<α<1). Η Απόδοση μιας αντίδρασης Α ισούται με το συντελεστή απόδοσης α όταν εκφραστεί ως ποσοστό %. Δηλαδή Α = α 100. Ποσότητες (mol) ΠΟΣΟΤΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ Ν 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) Ποσότητες (mol) ΑΜΦΙΔΡΟΜΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ Ν 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) αρχικά 4 20 - αντιδρούν 4 12 - παράγονται - - 8 τελικά - 8 8 αρχικά 4 20 - αντιδρούν x 3x - παράγονται - - 2x X.I. 4-x 20-3x 2x
Ποσότητες (mol) ΠΟΣΟΤΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ 2SO 2 (g) + O 2 (g) 2 SO 3 (g) Ποσότητες (mol) ΑΜΦΙΔΡΟΜΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ 2SO 2 (g) + O 2 (g) 2 SO 3 (g) αρχικά 7 3 - αντιδρούν - παράγονται - - τελικά - αρχικά 7 3 - αντιδρούν - παράγονται - - X.I. α = Ποσότητες (mol) ΠΟΣΟΤΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ 4A(g) + 2B(g) 3Γ(g) Ποσότητες (mol) ΑΜΦΙΔΡΟΜΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ 4A(g) + 2B(g) 3Γ(g) αρχικά 8 6 - αντιδρούν - παράγονται - - τελικά - αρχικά 8 6 - αντιδρούν - παράγονται - - X.I. α =
Βαθμός διάσπασης Βαθμός μετατροπής αντιδρώντος Α = Ποσότητα αντιδρώντος Α που αντέδρασε Αρχική ποσότητα αντιδρώντος Α a N 2 = 3 4 = 0. 75 Βαθμός μετατροπής αντιδρώντος Β = Ποσότητα αντιδρώντος Β που αντέδρασε Αρχική ποσότητα αντιδρώντος Β a H 2 = 9 20 = 0. 45 Παρατηρούµε ότι ο συντελεστής απόδοσης της αντίδρασης ταυτίζεται µε το βαθµό διάσπασης του σώµατος που βρίσκεται σε έλλειµµα και είναι ο µεγαλύτερος από τους βαθµούς διάσπασης.
Αρχή Le Chatelier-Van t Hoff Συγκέντρωση Πίεση Θερμοκρασία Συντελεστές Χημικής Ισορροπίας Αρχή Le Chatelier-Van t Hoff (Αρχή της φυγής προ της βίας) Όταν µεταβάλλουµε ένα από τους συντελεστές ισορροπίας η θέση της χημικής ισορροπίας µετατοπίζεται προς εκείνη την κατεύθυνση που τείνει να αναιρέσει τη µεταβολή που επιφέραµε.
Μεταβολή θερμοκρασίας Μεταβολή πίεσης Μεταβολή συγκέντυρωσης Η ισορροπία μετατοπίζεται προς την κατεύθυνση εκείνη που ελαττώνεται η ποσότητα των σωµάτων των οποίων αυξάνεται η συγκέντρωση ή προς την κατεύθυνση προς την οποία σχηµατίζονται τα σώµατα, των οποίων µειώνεται η συγκέντρωση. Η µεταβολή της πίεσης, επηρεάζει τη θέση της X.I. µόνο όταν: i) συµµετέχουν αέριες ουσίες και ii) παρατηρείται µεταβολή του αριθµού mol. Η αύξηση της πίεσης (υπό σταθερή Θ) µετατοπίζει την ισορροπία προς την κατεύθυνση όπου έχουµε ελάττωση του αριθµού των mol των αερίων (τα λιγότερα mol ασκούν µικρότερη πίεση). Η αύξηση της θερµοκρασίας µετατοπίζει την ισορροπία προς την κατεύθυνση εκείνη όπου απορροφάται θερµότητα. Με άλλα λόγια η αύξηση της θερµοκρασίας ευνοεί τις ενδόθερµες αντιδράσεις (-Q), ενώ η µείωση ευνοεί τις εξώθερµες αντιδράσεις (+Q).
Σταθερά χημικής ισορροπίας Κ c Έστω µια αµφίδροµη χηµική αντίδραση: αα(g) + ββ(g) γγ(g) + δ (g) Στη θέση Χ.Ι. ισχύει: υ 1 =υ 2 0 µε υ 1 = k 1 [A] α [B] β και υ 2 = k 2 [Γ] γ [ ] δ u 1 =u 2 k 1 [Α] α.[β] β = k 2 [Γ] γ.[δ] δ κ 1 = [Γ]γ. [Δ] δ κ 2 [Α] α.[β] β Κc= [Γ]γ. [Δ] δ [Α] α.[β] β =σταθερή Όσο μεγαλύτερη η τιμή της Kc τόσο μετατοπισμένη προς τα δεξιά είναι η θέση της Χ.Ι. Νόμος Χημικής Ισορροπίας Η τιμή της K C μεταβάλλεται μόνο με τη θερμοκρασία. * [A]=C A = Συγκέντρωση Α
Πειραματικό μέρος Πείραμα 1 ο Επίδραση της μεταβολής της θερμοκρασίας στη θέση της Χ.Ι. Πείραμα 2 ο Επίδραση της μεταβολής της συγκέντρωσης στη θέση της Χ.Ι.
Πείραμα 1 ο - Εισαγωγή Εισαγωγή Στο πείραμα αυτό θα μελετήσουμε την μετατόπιση της θέσης ισορροπίας όταν μεταβάλλουμε τη θερμοκρασία στην αμφίδρομη αντίδραση: CuSO 4 + 2NaCl CuCl 2 + Na 2 SO 4 (ενδόθερμη αντίδραση, -Q) μπλε πράσινο Με αύξηση της θερμοκρασίας (θέρμανση) η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα δεξιά και το χρώμα γίνεται πράσινο, ενώ όταν μειώσουμε τη θερμοκρασία επικρατεί το μπλε χρώμα.
Πείραμα 1 ο - Εκτέλεση Σκεύη - Αντιδραστήρια Δοκιμαστικός σωλήνας Ποτήρι ζέσεως με κρύο νερό Ποτήρι ζέσεως με ζεστό νερό Διάλυμα CuSO 4 0,1Μ Στερεό NaCl Λύχνος υγραερίου Σιφώνι Πειραματική πορεία 1. Στο δοκιμαστικό σωλήνα βάζουμε 2-3 ml διαλύματος CuSO 4 και προσθέτουμε λίγο στερεό NaCl. 2. Θερμαίνουμε το δοκιμαστικό σωλήνα προσεκτικά στη φλόγα του λύχνου. 3. Τοποθετούμε το σωλήνα στο ποτήρι με το κρύο νερό. 4. Βάζουμε το σωλήνα στο ποτήρι με το ζεστό νερό. 5. Σημειώνουμε τις παρατηρήσεις μας.
Πείραμα 2 ο - Εισαγωγή Εισαγωγή Στο πείραμα αυτό θα μελετήσουμε την μετατόπιση της θέσης ισορροπίας στην αμφίδρομη αντίδραση: 2CrO 4 2- + 2H + κίτρινο Cr 2 O7 2- + H 2 O πορτοκαλί Με προσθήκη οξέως η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα δεξιά και το χρώμα γίνεται πορτοκαλί (χρώμα διχρωμικών ιόντων), ενώ με προσθήκη βάσης (δέσμευση Η + ) επικρατεί το κίτρινο χρώμα των χρωμικών ιόντων.
Πείραμα 2 ο - Εκτέλεση Σκεύη - Αντιδραστήρια Δυο δοκιμαστικοί σωλήνες Δύο ποτήρια ζέσεως των 50 ή 100 ml Διάλυμα Κ 2 CrO 4 0,1Μ Διάλυμα K 2 Cr 2 O 7 0,1Μ Διάλυμα HCl 0,1Μ Διάλυμα NaOH 0,1M Σιφώνιa ή σταγονόμετρο Πειραματική πορεία 1. Στο ένα ποτήρι ζέσεως βάζουμε 10 ml διαλύματος Κ 2 CrO 4 (κίτρινο χρώμα). 2. Στο άλλο ποτήρι ζέσεως βάζουμε 10 ml διαλύματος Κ 2 Cr 2 O 7 (πορτοκαλί χρώμα). 3. Στον 1ο σωλήνα βάζουμε περίπου 1 ml (20 σταγόνες) διαλύματος Κ 2 CrO 4 και προσθέτουμε σταγόνα-σταγόνα διάλυμα HCl. 4. Στον ίδιο σωλήνα βάζουμε λίγες σταγόνες διαλύματος NaOH. 5. Στον 2ο σωλήνα βάζουμε 1 ml διαλύματος K 2 Cr 2 O 7 και προσθέτουμε σταγόνες διαλύματος NaOH. 6. Στον ίδιο σωλήνα προσθέτουμε διάλυμα HCl. 7. Σημειώνουμε τις παρατηρήσεις μας.
Ερωτήσεις - Ασκήσεις 1. Σε κλειστό δοχείο έχει αποκατασταθεί η ισορροπία C (s) +CO 2 (g) 2CO (g) -Q Ποια επίδραση έχουν στη θέση της Χ.Ι. (α) αύξηση της θερμοκρασίας (β) προσθήκη CO (γ) αύξηση του όγκου του δοχείου 2. ΣΩΣΤΟ-ΛΑΘΟΣ. Δίνεται η ισορροπία CuO(s) +H 2 (g) Cu(s) + H 2 O(g) +Q Μετατόπιση της ισορροπίας είναι δυνατόν αν: (α) αυξηθεί η πίεση (β) αυξηθεί η θερμοκρασία (γ) προστεθεί και άλλο CuO(s) 3. Αναμιγνύουμε 4mol Ν 2 και 6mol H 2 οπότε αποκαθίσταται η ισορροπία Ν 2 (g) +3H 2 (g) 2ΝΗ 3 (g) και σχηματίζονται 2mol NH 3. Να υπολογιστεί το ποσοστό μετατροπής του Ν 2 και του Η 2.
Ερωτήσεις - Ασκήσεις 4. Σε δοχείο εισάγονται 4mol SO 2 και 3mol Ο 2, οπότε αποκαθίσταται η ισορροπία 2SO 2 +O 2 2SO 3 Όταν αποκατασταθεί η ισορροπία στο δοχείο περιέχονται 2mol SO 3. (α) Να βρεθεί η σύσταση του μίγματος ισορροπίας (β) Να υπολογιστεί η απόδοση της αντίδρασης. 5. Σε δοχείο σταθερού όγκου εισάγονται 0.6mol CO, 0.6mol H 2 O(g) και θερμαίνονται στους θ ο C, οπότε αποκαθίσταται η ισορροπία CO(g) +H 2 O(g) CO 2 (g) + H 2 Όταν αποκατασταθεί η ισορροπία στο δοχείο περιέχονται 0,4mol CO 2. (α) Να υπολογιστεί η Kc της παραπάνω αντίδρασης. (β) Σε άλλο δοχείο, στους θ ο C, εισάγονται 1mol CΟ 2 και 1mol H 2. Να βρεθεί η σύσταση του μίγματος στην κατάσταση Χ.Ι.
Εργασία Α. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Ορισμοί: Μονόδρομη & Αμφίδρομη αντίδραση, Χημική Ισορροπία, Απόδοση αντίδρασης, Αρχή le Chatelier Van t Hoff, Σταθερά Χημικής Ισορροπίας Β. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1 ο πείραμα α) Αντιδραστήρια-σκεύη β) Πειραματική πορεία 2 ο πείραμα α) Αντιδραστήρια-σκεύη β) Πειραματική πορεία Γ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Παρατηρήσεις - Εξήγηση των πειραματικών αποτελεσμάτων των δύο πειραμάτων (μεταβολή χρώματος λόγω μετατόπισης της χημικής ισορροπίας) Δ. ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ - ΑΣΚΗΣΕΙΣ 19