1
Bodźce reakcji chemicznej
O chemii mieszanin ...
Kilka ważnych pojęć
UKŁAD
- wyraźnie oddzielona (granicami) część
otaczającej nas rzeczywistości materialnej;
FAZA
- homogeniczna (jednorodna) część układu,
wykazująca określone własności fizyczne i ograniczona
określonymi powierzchniami, nadajemy jej nazwę od stanu
skupienia;
UKŁAD HOMOGENICZNY
= układ jednofazowy
UKŁAD HETEROGENICZNY
= układ wielofazowy
SKŁADNIK UKŁADU
- jedna z substancji
niezbędnych do odtworzenia układu
SKŁADNIKI NIEZALEŻNE
- najmniejsza liczba
skladników, z których można zbudować cały układ. Oblicza
się ją odejmując od całkowitej liczby składników liczbę
niezależnych reakcji chemicznych
Kilka ważnych pojęć (2)
*
ROZTWÓR
- układ wieloskładnikowy, jednofazowy
(homogeniczny);
*
ROZTWÓR DOSKONAŁY
– składniki nie oddziaływują
ze sobą;
*
ROZTWÓR RZECZYWISTY
– uwgzlędniamy
oddziaływania składników;
*
ROZTWORY
mogą być stałe, ciekłe i gazowe;
*
ROZPUSZCZALNIK
(zazwyczaj!) - ta substancja, której
roztwór zawiera najwięcej (która ma najwyższe
stężenie
);
*
PARAMETRY UKŁADU
- wielkości, które go
charakteryzują niezależnie od miejsca pomiaru -
T
(temperatura) i
p
(ciśnienie)
Dlaczego ....
►
... pewne reakcje chemiczne zachodzą
samorzutnie ("same z siebie"), a inne nie ?
►
... prąd elektryczny płynie pomiędzy biegunami
ogniwa elektrycznego ?
►
... Wisła płynie z Krakowa do Gdańska, a nie z
Gdańska do Krakowa ?
Dlaczego rzeki zwykle płyną do morza ?
Wodospad Niagara widziany z Kanady
Salto Churún Meru na rzece
Churún (Wenezuela), najwy
ż
szy
wodospad
ś
wiata (1054 m),
odkryty w 1935 przez lotnika
ameryka
ń
skiego J.Angela
Encyklopedia Multimedialna PWN 1998
zdjęcie własne
Dlaczego ....
►
... pewne reakcje chemiczne zachodzą
samorzutnie ("same z siebie"), a inne nie ?
... wygląda na to, że jedne substancje mają
wyższy potencjał chemiczny, a inne niższy ...
►
... prąd elektryczny płynie pomiędzy biegunami
ogniwa elektrycznego ?
... bo jeden z biegunów ma wyższy potencjał
elektryczny, a drugi niższy
►
... Wisła płynie z Krakowa do Gdańska, a nie z
Gdańska do Krakowa ?
... bo Kraków leży wyżej nad „poziomem morza”,
a potencjał mechaniczny w polu grawitacyjnym
zależy od wysokości V=m
⋅⋅⋅⋅
g
⋅⋅⋅⋅
h
2
Różnica potencjałów jest siłą napędową procesu
Woda przeplywa aż do wyrównania poziomów
Dlaczego rzeki czasem nie płyną do morza ?
Potencjał chemiczny
o
UWAGA !
Nie należy zapominać, że zawsze
rozpatrujemy jeden potencjał względem drugiego
o
Bodźcem reakcji chemicznych
jest różnica potencjałów
chemicznych pomiędzy:
– substratami reakcji
(które mają wyższy potencjał)
– produktami reakcji
(które mają niższy potencjał)
G
– potencjał chemiczny
∆∆∆∆
G
– róznica potencjałów chemicznych
Potencjał chemiczny zależy od:
rodzaju substancji chemicznej
i stanu jej skupienia
ilości substancji
temperatury
ciśnienia
Potencjał chemiczny jednego mola
i
i
i
a
RT
p
T
ln
)
,
(
0
+
=
µ
µ
i
i
i
p
RT
p
T
ln
)
,
(
0
+
=
µ
µ
Dla jednego mola i-tej substancji (w mieszaninie):
gdzie:
µ
i
-
potencjał molowy,
a
i
-
aktywność i-tej substancji,
Aktywność substancji czystej (nie w mieszaninie), która
nie znajduje się w stanie gazowym wynosi 1 (a
i
= 1)
dla gazów doskonałych:
dla substancji w roztworach rozcieńczonych:
i
i
i
c
RT
p
T
ln
)
,
(
0
+
=
µ
µ
Dla ogólnie zapisanej reakcji odwracalnej:
D
d
C
c
B
b
A
a
⋅
+
⋅
→
←
⋅
+
⋅
substratów
produktów
G
G
G
−
=
∆
i
i
i
n
G
µ
⋅
=
A
A
A
a
RT
p
T
ln
)
,
(
0
+
=
µ
µ
potencjał 1 mola
liczba moli
i
i
i
a
RT
p
T
ln
a
)
,
(
a
a
0
⋅
+
⋅
=
⋅
µ
µ
potencjał a moli:
...
podobnie dla b moli substancji B, c moli substancji C
oraz d moli substancji D ...
a
ln
ln
a
A
A
a
RT
a
RT
=
⋅
B
A
D
C
G
µ
µ
µ
µ
⋅
−
⋅
−
⋅
+
⋅
=
∆
b
a
d
c
Różnica potecjałów chemicznych produktów i substratów:
⋅
⋅
+
⋅
−
⋅
−
⋅
+
⋅
=
∆
b
a
d
c
0
0
0
0
ln
b
a
d
c
B
A
D
C
B
A
D
C
a
a
a
a
RT
G
µ
µ
µ
µ
∆∆∆∆
G
0
(T,p)
- standardowa różnica potencjału,
zależna tylko od rodzaju substratów i
produktów oraz temperatury i ciśnienia,
niezależna od aktywności poszczególnych
substancji
3
Warunki samorzutnego zachodzenia reakcji
♠
∆∆∆∆
G < 0
samorzutna reakcja zachodzi (może zachodzić, bo
potencjał produktów jest niższy niż potencjał
substratów) -
różnica potencjałów jest
“motorem” zachodzenia reakcji
♠
∆∆∆∆
G > 0
reakcja nie zachodzi w sposób samorzutny (nie
może zachodzić, bo potencjał substratów jest
niższy niż potencjał produktów - może zachodzić
reakcja odwrotna)
♠
∆∆∆∆
G = 0
reakcja nie zachodzi w żadną stronę -
potencjały substratów i produktów są sobie
równe; produkty i substraty pozostają w
stanie równowagi
W stanie równowagi
∆∆∆∆
G = 0
⋅
⋅
+
∆
=
∆
b
a
d
c
0
ln
)
,
(
B
A
D
C
a
a
a
a
RT
p
T
G
G
∆
−
=
⋅
⋅
RT
G
a
a
a
a
B
A
D
C
0
b
a
d
c
exp
Nie zależy od aktywności
substratów i produktów
Zależy od rodzaju reakcji,
temperatury i ciśnienia
K
a
a
a
a
B
A
D
C
=
⋅
⋅
b
a
d
c
D
d
C
c
B
b
A
a
⋅
+
⋅
→
←
⋅
+
⋅
dla zwykłej reakcji odwracalnej
Prawo działania mas
1864
Cato Guldberg (1836-1902)
Peter Waage (1833-1900)
W stanie równowagi
(
∆∆∆∆
G = 0)
K
a
a
a
a
B
A
D
C
=
⋅
⋅
b
a
d
c
D
d
C
c
B
b
A
a
⋅
+
⋅
→
←
⋅
+
⋅
dla zwykłej reakcji odwracalnej
Prawo działania mas
1864
Cato Guldberg (1836-1902)
Peter Waage (1833-1900)
Równowaga chemiczna inaczej
W ogólnym przypadku reakcji odwracalnej:
v
a
b
1
1
= ⋅
⋅
k a
a
A
B
v
c
d
2
2
=
⋅ ⋅
k a
a
C
D
gdzie
k
1
i
k
2
- stałe szybkości reakcji, zależne tylko od
rodzaju reakcji, temperatury i ciśnienia całkowitego
(dla reakcji w fazie gazowej)
k
k
E
RT
A
=
⋅
−
0
exp
D
d
C
c
B
b
A
a
⋅
+
⋅
⋅
+
⋅
v
1
v
2
równanie Arrheniusa
W stanie równowagi ...
k
a
a
k a
a
C
D
A
B
2
1
⋅
⋅
= ⋅
⋅
c
d
a
b
v
v
1
2
=
a
a
a
a
k
k
C
D
A
B
c
d
a
b
⋅
⋅
=
1
2
Stała K, zwana stałą równowagi, zależy tylko od
temperatury
(i
ciśnienia całkowitego
dla reakcji w fazie
gazowej). Nie zależy od ilości (aktywności, stężeń)
poszczególnych substratów/produktów
a
a
a
a
K
C
D
A
B
c
d
a
b
⋅
⋅
=
Stałe równowagi
a
a
a
a
K
C
c
D
d
A
a
B
b
⋅
⋅
=
p
p
p
p
K
C
c
D
d
A
a
B
b
p
⋅
⋅
≅
c
c
c
c
K
C
c
D
d
A
a
B
b
c
⋅
⋅
≅
to jest ogólne prawo równowagi ...
to jest prawo równowagi dla reakcji
w gazach, przy niezbyt wysokich
ciśnieniach (p
A
, p
B
, p
C
, p
D
– ciśnienia
poszczególnych gazów)
to jest prawo równowagi dla reakcji
w mieszaninach (roztworach), przy
niezbyt wysokich stężeniach
składników (c
A
, c
B
, c
C
, c
D
– stężenia
poszczególnych składników)
4
Konsekwencje równowagi chemicznej ...
• W reakcji odwracalnej zawsze ustala się
równowaga, która zależy od temperatury
i ciśnienia:
3
O
Fe
2
2
2NH
3H
N
3
2
→
←
+
p
p
p
K T p
NH
H
N
p
3
2
2
2
3
⋅
=
( ,
)
całk
zmiana ciśnienia (stężenia, aktywności) jednego ze
składników po ustaleniu się stanu równowagi spowoduje
zmianę wszystkich pozostałych ciśnień (stężeń, aktywności),
gdyż stała równowagi K nie ulegnie zmianie
Reguła przekory
Reakcja otrzymywania amoniaku jest reakcją
egzotermiczną, a reakcja jego rozkładu reakcją
endotermiczną
Jeśli w warunkach równowagi zmienimy jeden
z parametrów reakcji (temperaturę lub
ciśnienie), to równowaga reakcji przesunie się
w taki sposób, by zmniejszyć działanie
bodźca (układ przeciwstawi się zmianie) ...
p
p
p
K T p
NH
H
N
p
3
2
2
2
3
⋅
=
( ,
)
całk
Reguła przekory Le Chateliera
H
-
NH
2
N
H
3
3
2
2
reakcji
∆
⇔
+
Reguła przekory w praktyce ...
Jeśli po ustaleniu się stanu równowagi reakcji :
podwyższymy temperaturę
, to stan równowagi przesunie się
w lewo, a stała równowagi ulegnie zmniejszeniu ...
obniżymy temperaturę
, to stan równowagi przesunie się
w prawo, a stała równowagi ulegnie zwiększeniu ...
H
-
NH
2
N
H
3
3
2
2
reakcji
∆
⇔
+
H
-
NH
2
N
H
3
3
2
2
reakcji
∆
⇔
+
H
-
NH
2
N
H
3
3
2
2
reakcji
∆
⇔
+
Reguła przekory w praktyce ...
Jeśli po ustaleniu się stanu równowagi reakcji :
obniżymy ciśnienie
, to stan równowagi przesunie się
w lewo, a stała równowagi ulegnie zmniejszeniu ...
podwyższymy ciśnienie
, to stan równowagi przesunie się
w prawo, a stała równowagi ulegnie zwiększeniu ...
H
-
NH
2
N
H
3
3
2
2
reakcji
∆
⇔
+
H
-
NH
2
N
H
3
3
2
2
reakcji
∆
⇔
+
H
-
NH
2
N
H
3
3
2
2
reakcji
∆
⇔
+