Chemija · Pamoka
Temperatūros, slėgio ir sudėties pokyčiai
Paaiškinti pusiausvyros atsaką remiantis pakitusiu reakcijos dalmeniu ir nekintančiais apribojimais. Atskirti bendrąjį slėgį nuo reakcijoje dalyvaujančių medžiagų dalinių slėgių, o temperatūros pokyčius – nuo sudėties pokyčių.
Grįžti į chemijos planąBaigę pamoką, galėsite
- Numatyti idealiųjų dujų sistemos atsaką į suspaudimą esant pastoviai temperatūrai.
- Paaiškinti, kodėl inertinių dujų poveikis priklauso nuo tūrio ar slėgio apribojimų.
- Atskirti pusiausvyros padėties pokyčius nuo katalizatoriaus sukeltų pusiausvyros pasiekimo greičio pokyčių.
Atsakas mažina naują neatitikimą
Keičiant sudėtį esant pastoviai temperatūrai, Q gali pakisti, o K° išlieka pastovi, jei taikoma ta pati konvencija. Tolesnė reakcijos eiga sistemoje linkusi mažinti šį neatitikimą, kol vėl tenkinamas atitinkamas pusiausvyros sąryšis ir apribojimai. Tai nebūtinai atkuria visas ankstesnes koncentracijas.
Le Šateljė principas kokybiškai apibendrina daugelį tokių atsakų. Reakcijos dalmens skaičiavimas aiškiai parodo prielaidas ir padeda nelaikyti žodžio „priešintis“ pažadu visiškai panaikinti pokytį. Išsaugokite informaciją apie pradinę būseną ir tai, kas buvo pridėta, pašalinta ar mechaniškai pakeista.
Suspaudimas proporcingai keičia reakcijoje dalyvaujančių dujų dalinius slėgius
Nagrinėkime užrašytą reakciją 2 NO₂(g) ⇌ N₂O₄(g), kuri iš pradžių yra pusiausvyroje idealiųjų dujų mišinyje esant pastoviai temperatūrai. Jei tūris sumažinamas perpus, kol reakcija dar nespėjo prisitaikyti, kiekvienų reakcijoje dalyvaujančių dujų dalinis slėgis padvigubėja. Naudojant a_i = p_i/p°, gaunama Q′ = (2a_N₂O₄)/(2a_NO₂)² = K°/2.
Taigi reakcija krypsta į N₂O₄ susidarymo pusę. Bendruoju atveju, kiekvienų reakcijoje dalyvaujančių dujų dalinį slėgį padauginus iš f, pagal šį idealiųjų dujų modelį esant pastoviai temperatūrai gaunama Q′/Q = f^Δn_gas, kur Δn_gas yra dujinių produktų koeficientų sumos ir dujinių reagentų koeficientų sumos skirtumas. Šiuo atveju Δn_gas = −1. Jei šios sumos vienodos, vien toks proporcingas slėgių pakeitimas reakcijos dalmens nekeičia.
Santykis Q′/K°
Dalinių slėgių daugiklis f
- Apskaičiuotas reakcijos dalmuo po trikdymo
- — Nustatytas Q′/K° = 1/f
Pagrindą sudarantys duomenys
| Dalinių slėgių daugiklis f | Santykis Q′/K° |
|---|---|
| 0.5 | 2 · Apskaičiuotas reakcijos dalmuo po trikdymo |
| 1 | 1 · Apskaičiuotas reakcijos dalmuo po trikdymo |
| 2 | 0.5 · Apskaičiuotas reakcijos dalmuo po trikdymo |
Originalus idealiųjų dujų algebrinis modelis reakcijai 2 NO₂ ⇌ N₂O₄, iš pradžių esančiai pusiausvyroje, esant pastoviai temperatūrai. Prieš cheminį persitvarkymą kiekvienas reaguojančios medžiagos dalinis slėgis padauginamas iš f, todėl Q′/K° = 1/f. f=2 atitinka perpus sumažintą tūrį; f=0.5 – dvigubai padidintą tūrį. Žymekliai ir brūkšninė kreivė vaizduoja apskaičiuotus sąryšius, o ne galutinę pusiausvyrinę sudėtį ar išmatuotų slėgių seką.
Atsakymas priklauso nuo mechaninio apribojimo
Pridėjus inertinių dujų esant pastoviai temperatūrai ir tūriui, bendrasis slėgis padidėja, tačiau idealiųjų dujų modelyje kiekvienų reakcijoje dalyvaujančių dujų dalinis slėgis p_i = n_iRT/V lieka nepakitęs. Todėl reakcijos dalmuo išlieka lygus K°, ir vien šis papildymas pusiausvyros nepastumia.
Jei vietoj to palaikoma pastovi temperatūra ir bendrasis slėgis, pridėjus inertinių dujų tūris gali padidėti. Konkrečiame modelyje, kuriame tūris padvigubėja, reakcijoje dalyvaujančių dujų daliniai slėgiai sumažėja perpus, todėl reakcijai 2 NO₂ ⇌ N₂O₄ gaunama Q′ = 2K°. Reakcija krypsta į disociacijos pusę. Tai skirtingi apribojimai, o ne prieštaringi atsakymai apie tą patį veiksmą.
Temperatūros ir katalizatorių vaidmenys skiriasi
Keičiant temperatūrą, paprastai kinta K°. Jei nagrinėjamame temperatūrų intervale reakcijos entalpijos pokytis yra teigiamas, šildymas paprastai palankus endoterminei reakcijos krypčiai; jei tiesioginė reakcija egzoterminė, tendencija priešinga. Išlaikykite nurodytas fazes ir sąlygas, o šilumos kiekio, turinčio matavimo vienetus, neįtraukite į aktyvumų sandaugą.
Katalizatorius keičia kinetiką ir gali paspartinti pusiausvyros pasiekimą, nekeisdamas tos pačios reakcijos K° tomis pačiomis termodinaminėmis sąlygomis. Pusiausvyrinė išeiga, proceso greitis ir bet koks išoriškai palaikomas srautas yra atskiros proceso ypatybės. Vien atsako prognozė nenustato optimalaus pramoninio proceso veikimo režimo.
Išnagrinėti pavyzdžiai
Palyginkite reakcijos dalmenį po idealiojo suspaudimo
Nurodytas idealusis mišinys 2 NO₂(g) ⇌ N₂O₄(g) iš pradžių yra pusiausvyroje. Esant pastoviai temperatūrai, jo tūris sumažinamas perpus, kol reakcija dar nespėjo prisitaikyti. Kaip pasikeičia Q?
- Abiejų reakcijoje dalyvaujančių dujų daliniai slėgiai padvigubėja.
- Skaitiklyje N₂O₄ laipsnio rodiklis yra 1; vardiklyje NO₂ laipsnio rodiklis yra 2.
- Mastelio keitimo koeficientas yra 2/2² = 1/2.
- Todėl Q′ = K°/2 < K°.
Iš pradžių palankesnis yra grynasis N₂O₄ susidarymas. Tai nenusako galutinės sudėties ar sistemos atsako greičio.
Pabandykite patys
Kuri kryptis iš pradžių palankesnė nurodytame NO₂ modelyje, kai tūris sumažinamas perpus?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
N₂O₄ susidarymas.
Visiems slėgiams padvigubėjus, Q′ = K°/2.
Ar, esant pastoviems idealiųjų dujų T ir V, pridėjus inertinių dujų pasikeičia reaguojančių dujų daliniai slėgiai?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Jų kiekiai, temperatūra ir tūris lieka nepakitę, nors bendrasis slėgis padidėja.
Ar temperatūra gali pakeisti pačią K°?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Taip.
Termodinaminis pusiausvyros sąryšis priklauso nuo temperatūros.
Ar katalizatorius atkuria ankstesnę pusiausvyrinę sudėtį pasikeitus bet kokioms sąlygoms?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Jis keičia pusiausvyros pasiekimo kinetiką, o pusiausvyros sąryšį lemia naujos termodinaminės sąlygos.
Ką verta įsidėmėti
- Prieš prognozuodami sistemos atsaką, nurodykite, kurie kintamieji yra pastovūs.
- Idealiųjų dujų aktyvumų santykiuose naudokite reaguojančių medžiagų dalinius slėgius.
- Atskirkite iškart po trikdžio apskaičiuotus reakcijos dalmenis nuo galutinės sudėties.
- Temperatūra veikia K°; katalizatorius veikia pusiausvyros pasiekimo kinetiką.
Šaltiniai
Mokomoji medžiaga ir žinynai, kuriais remiasi pamokos paaiškinimai ir pavyzdžiai.
- Chemija, 2-asis leidimas: 13.3 Pusiausvyros poslinkis: Le Šateljė principasOpenStax, Rice UniversityŽinynas
Oklahoma School of Science and Mathematics; authored textbook hosted by Chemistry LibreTexts2 šaltiniai
- Termodinamika ir cheminė pusiausvyra: 15.2 Dujų cheminis potencialas ir aktyvumasOklahoma School of Science and Mathematics; authored textbook hosted by Chemistry LibreTextsŽinynas
- Termodinamika ir cheminė pusiausvyra: 15.3 Kondensuotosios fazės fugatyvumo ir aktyvumo priklausomybė nuo slėgioOklahoma School of Science and Mathematics; authored textbook hosted by Chemistry LibreTextsŽinynas