Chemija · Pamoka

Dinaminė pusiausvyra ir grįžtamosios reakcijos

Apibūdinti pusiausvyrą kaip priešingų pokyčių atsvarą. Atskirti vienodus reakcijų greičius nuo vienodų koncentracijų ir nuo kitų priežasčių, dėl kurių sudėtis gali atrodyti nekintanti.

Grįžti į chemijos planą

Baigę pamoką, galėsite

Paaiškinti dinaminę pusiausvyrą nekintant sąlygoms.
Palyginti priešingų reakcijų greičius nedarant prielaidos, kad koncentracijos yra vienodos.
Atskirti pusiausvyrą nuo nusistovėjusio srauto ar kinetiškai sustabdytos būsenos.

Makroskopiškai pastovi sistema gali toliau kisti

Kai grįžtamoji cheminė reakcija yra pusiausvyroje, tiesioginės ir atvirkštinės reakcijų pokyčiai nurodytomis sąlygomis atsveria vieni kitus. Molekulės gali toliau reaguoti, nors bendroji makroskopinė sudėtis nekinta. Grįžtamosios reakcijos rodyklė ⇌ žymi abi kryptis; vien jos užrašymas nepatvirtina, kad konkretus mėginys jau pasiekė pusiausvyrą.

Greičiai sutampa, kai jie išreiškiami pagal suderintą reakcijos atskaitos pagrindą. Koncentracijos nebūtinai turi būti vienodos. Pusiausvyra apibūdina priešingų cheminių pokyčių atsvarą, o ne reikalavimą, kad mišinio medžiaga vienodai pasiskirstytų tarp visų cheminių dalelių rūšių.

Skirtingos koncentracijos gali palaikyti vienodus greičius

Originaliame hipotetiniame elementariosios izomerizacijos A ⇌ B modelyje, esant pastoviam tūriui ir nekintančioms sąlygoms, naudojamos konstantos k_f = 2.00 s⁻¹ ir k_r = 0.500 s⁻¹. A ir B elementinė sudėtis yra vienoda ir išlieka nepakitusi. Reakcijų greičio lygtys yra r_f = k_f[A] ir r_r = k_r[B]; šios lygtys kyla iš nurodyto elementariosios reakcijos modelio, o ne vien iš bendrosios reakcijos rodyklės.

Kai [A] = 0.0200 mol L⁻¹ ir [B] = 0.0800 mol L⁻¹, abu reakcijų greičiai yra 0.0400 mol L⁻¹ s⁻¹. Keturis kartus didesnė B koncentracija nei A kompensuoja mažesnę atvirkštinės reakcijos greičio konstantą. Bendra šių izomerų koncentracija yra 0.100 mol L⁻¹.

Modelis gali artėti prie pusiausvyros nesustabdydamas savo vyksmų

Tam pačiam išgalvotam modeliui, kurio pradinės koncentracijos yra [A]₀ = 0.100 mol L⁻¹ ir [B]₀ = 0, apskaičiuotas sprendinys yra [A](t) = 0.0200 + 0.0800 exp(−2.50t), čia koncentracijų skaitinės vertės išreikštos mol L⁻¹, o t – sekundėmis. [B](t) = 0.100 − [A](t). Pasirinktus modelio parametrus laikykite tiksliomis skaičiavimo pradinėmis vertėmis.

Grafike pateiktos greičių vertės artėja prie tos pačios 0.0400 mol L⁻¹ s⁻¹ ribos. Taip matematiškai artėjant prie pusiausvyros, bet kuriuo baigtiniu laiko momentu išlieka nedidelis greičių skirtumas; kreivės netampa staiga tiksliai lygios ties savavališkai pasirinktu galutiniu grafiko tašku. Tai, kad jų riba išlieka nenulinė, leidžia matyti dinaminę pusiausvyrą.

Priešingų krypčių reakcijų greičiai artėja prie tos pačios nenulinės ribos

Reakcijos greitis / mol L⁻¹ s⁻¹

Laikas / s

Apskaičiuotas tiesioginės reakcijos greitis
Apskaičiuotas atvirkštinės reakcijos greitis

Pagrindą sudarantys duomenys

Laikas / s	Reakcijos greitis / mol L⁻¹ s⁻¹
0	0.2 · Apskaičiuotas tiesioginės reakcijos greitis
0.2	0.13704490555402135 · Apskaičiuotas tiesioginės reakcijos greitis
0.4	0.09886071058743078 · Apskaičiuotas tiesioginės reakcijos greitis
0.6	0.07570082562374877 · Apskaičiuotas tiesioginės reakcijos greitis
0.8	0.06165364531785804 · Apskaičiuotas tiesioginės reakcijos greitis
1	0.053133599779823806 · Apskaičiuotas tiesioginės reakcijos greitis
1.2	0.04796593093885823 · Apskaičiuotas tiesioginės reakcijos greitis
1.4	0.04483158134757096 · Apskaičiuotas tiesioginės reakcijos greitis
1.6	0.04293050222219747 · Apskaičiuotas tiesioginės reakcijos greitis
1.8	0.041777439446118766 · Apskaičiuotas tiesioginės reakcijos greitis
2	0.041078071519853675 · Apskaičiuotas tiesioginės reakcijos greitis
2.2	0.040653883430154254 · Apskaičiuotas tiesioginės reakcijos greitis
2.4	0.040396600348266615 · Apskaičiuotas tiesioginės reakcijos greitis
2.6	0.04024055027087641 · Apskaičiuotas tiesioginės reakcijos greitis
2.8	0.04014590111448872 · Apskaičiuotas tiesioginės reakcijos greitis
3	0.04008849349922365 · Apskaičiuotas tiesioginės reakcijos greitis
3.2	0.040053674020464405 · Apskaičiuotas tiesioginės reakcijos greitis
3.4	0.040032554939041703 · Apskaičiuotas tiesioginės reakcijos greitis
3.6	0.04001974556865387 · Apskaičiuotas tiesioginės reakcijos greitis
3.8	0.04001197629278203 · Apskaičiuotas tiesioginės reakcijos greitis
4	0.040007263988762 · Apskaičiuotas tiesioginės reakcijos greitis
0	0 · Apskaičiuotas atvirkštinės reakcijos greitis
0.2	0.015738773611494665 · Apskaičiuotas atvirkštinės reakcijos greitis
0.4	0.02528482235314231 · Apskaičiuotas atvirkštinės reakcijos greitis
0.6	0.03107479359406281 · Apskaičiuotas atvirkštinės reakcijos greitis
0.8	0.03458658867053549 · Apskaičiuotas atvirkštinės reakcijos greitis
1	0.036716600055044055 · Apskaičiuotas atvirkštinės reakcijos greitis
1.2	0.038008517265285445 · Apskaičiuotas atvirkštinės reakcijos greitis
1.4	0.038792104663107264 · Apskaičiuotas atvirkštinės reakcijos greitis
1.6	0.03926737444445064 · Apskaičiuotas atvirkštinės reakcijos greitis
1.8	0.03955564013847031 · Apskaičiuotas atvirkštinės reakcijos greitis
2	0.03973048212003658 · Apskaičiuotas atvirkštinės reakcijos greitis
2.2	0.03983652914246144 · Apskaičiuotas atvirkštinės reakcijos greitis
2.4	0.03990084991293335 · Apskaičiuotas atvirkštinės reakcijos greitis
2.6	0.0399398624322809 · Apskaičiuotas atvirkštinės reakcijos greitis
2.8	0.03996352472137782 · Apskaičiuotas atvirkštinės reakcijos greitis
3	0.039977876625194086 · Apskaičiuotas atvirkštinės reakcijos greitis
3.2	0.039986581494883905 · Apskaičiuotas atvirkštinės reakcijos greitis
3.4	0.03999186126523958 · Apskaičiuotas atvirkštinės reakcijos greitis
3.6	0.039995063607836535 · Apskaičiuotas atvirkštinės reakcijos greitis
3.8	0.039997005926804496 · Apskaičiuotas atvirkštinės reakcijos greitis
4	0.0399981840028095 · Apskaičiuotas atvirkštinės reakcijos greitis

Originalus hipotetinis elementariosios reakcijos A ⇌ B modelis: pasirinktos tikslios vertės k_f = 2.00 s⁻¹, k_r = 0.500 s⁻¹, tūris pastovus, [A]₀ = 0.100 mol L⁻¹ ir [B]₀ = 0. Kas 0.2 s pažymėtų taškų vertės apskaičiuotos pagal nurodytą eksponentinį sprendinį. Didėjant t, abu greičiai artėja prie 0.0400 mol L⁻¹ s⁻¹; neteigiama, kad tiksli pusiausvyra pasiekiama per baigtinį laiką ar kad pateikiami matavimų duomenys.

Nekintantį stebėjimo rezultatą reikia interpretuoti

Vien nekintanti koncentracija nėra pakankamas pusiausvyros įrodymas. Pratekamajame inde koncentracija gali išlikti pastovi, nes medžiagos tiekimas ir šalinimas atsveria reakcijos poveikį. Procesas taip pat gali būti toks lėtas, kad per stebėjimo laikotarpį matavimu nustatomas tik nedidelis pokytis.

Sudėties stebėjimus vertinkite kartu su sistemos ribomis, sąlygomis ir duomenimis, liudijančiais atitinkamus priešingus procesus. Pusiausvyros padėtis ir laikas, reikalingas prie jos priartėti, yra skirtingi klausimai. Pakeitus sąlygas, gali nusistovėti kita pusiausvyros būsena.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Patikrinkite greičių lygybę esant skirtingoms koncentracijoms

Naudokite išgalvotą elementariosios reakcijos modelį, kai [A] = 0.0200 mol L⁻¹ ir [B] = 0.0800 mol L⁻¹. Apskaičiuokite tiesioginės ir atvirkštinės reakcijų greičius.

Tiesioginė reakcija: r_f = 2.00 × 0.0200 = 0.0400 mol L⁻¹ s⁻¹.
Atvirkštinė reakcija: r_r = 0.500 × 0.0800 = 0.0400 mol L⁻¹ s⁻¹.
Koncentracijos skiriasi 4 kartus, o greičiai yra vienodi.

Esant šioms nurodytoms koncentracijoms, modelyje nusistovi dinaminė pusiausvyra; nė vienas iš priešingų krypčių reakcijų greičių nėra lygus nuliui.

Pabandykite patys

Ar esant pusiausvyrai reagentų ir produktų koncentracijos turi būti lygios?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Priešingų krypčių reakcijų greičiai gali būti lygūs esant skirtingoms koncentracijoms.
Ar pasiekus pusiausvyrą modelio elementariosios stadijos sustoja?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Jų priešingų krypčių greičiai yra nenuliniai ir lygūs.
Ar simbolis ⇌ įrodo, kad ką tik paruoštas mišinys jau yra pusiausvyroje?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Jis nurodo grįžtamąsias reakcijos kryptis; dabartinę būseną vis tiek reikia įvertinti.
Ar pratekančios sistemos stacionariosios būsenos sudėtis gali nekisti, nors sistema nėra pusiausvyroje?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Taip.
Medžiagų tiekimas, pašalinimas ir reakcija gali būti subalansuoti, nors grynieji cheminiai procesai tęsiasi.

Ką verta įsidėmėti

Vienodi priešingų krypčių reakcijų greičiai nereiškia, kad koncentracijos turi būti vienodos.
Grįžtamosios reakcijos lygtis ir esama pusiausvyros būsena yra skirtingi dalykai.
Artėjimo prie pusiausvyros greitis ir pusiausvyros padėtis atsako į skirtingus klausimus.
Stacionarius matavimo rezultatus interpretuokite atsižvelgdami į sistemos ribas ir sąlygas.

Šaltiniai

Mokomoji medžiaga ir žinynai, kuriais remiasi pamokos paaiškinimai ir pavyzdžiai.