background image

1

Stała równowagi chemicznej

Stała równowagi chemicznej

Ogólnie można napisać, że dla reakcji:

 

dD + eE  fF + lL

Stała w stanie równowagi wyniesie:

e

E

d

D

l

L

f

F

C

C

C

C

C

K

e

E

d

D

l

L

f

F

P

p

p

p

p

=

 

K

e

E

d

D

l

L

f

F

X

X

X

X

X

K

p

i

 - ciśnienie cząstkowe reagentów

C

i

 - stężenie reagentów w mol/dm

3

X

i

 - stężenie reagentów w ułamkach molowych

background image

2

„Gdy  w  roztworze  doskonałym  panuje  stan 
równowagi 

chemicznej 

określonej 

temperaturze,    to  iloraz    iloczynu  stężeń 
(ciśnień)  produktów  reakcji  do  iloczynu 
stężeń 

(ciśnień) 

substratów 

reakcji 

podniesionych odpowiednio do potęg, których 
wykładniki 

odpowiadają 

współczynnikom 

stechiometrycznym  równania  reakcji,  ma 
wartość stałą”.

PRAWO DZIAŁANIA MAS

PRAWO DZIAŁANIA MAS

Stała równowagi chemicznej określana jest w 
chemii pod nazwą : prawo działania mas.

Wartości  stałych  równowagi  zmieniają  się  od 
bardzo dużych do bardzo małych wartości.
np. K = 9,39 10

dla reakcji syntezy siarkowodoru

      K = 2,38 10

-3 

dla reakcji syntezy amoniaku

background image

3

WARTOŚĆ STAŁEJ RÓWNOWAGI = const, dla stałej 
temperatury.  Każda  zmiana  temperatury  z  T

1

  na  T

2

 

powoduje zmianę stałej równowagi K

1

 na K

2

 zgodnie z 

równaniem zwanym izobarą vant Hoffa:







2

1

1

2

r

2

1

r

2

1

T

T

T

-

T

R

Q

T

1

 

T

1

R

Q

ln

 

=

 

K

K

gdzie: Q

r

 -  ciepło reakcji

           R - stała gazowa

K

1

 - stała równowagi w temp. 

T

1

K

2

 - stała równowagi w temp. 

T

2

Stała równowagi chemicznej

Stała równowagi chemicznej

background image

4

Jeśli  równowaga  układu  reakcyjnego  zostanie 
zakłócona, to reakcje chemiczne zostają wznowione i 
zostanie osiągnięty nowy stan równowagi.

PRZESUNIĘCIA STANU 

PRZESUNIĘCIA STANU 

RÓWNOWAGI CHEMICZNEJ

RÓWNOWAGI CHEMICZNEJ

„Jeżeli  na  układ  znajdujący  się  w  stanie 
równowagi  działa  jakiś  czynnik  zewnętrzny, 
to powoduje on naruszenie stanu równowagi 
w  taki  sposób,  który  częściowo  osłabia 
działanie tego czynnika”.

Kierunek takich przesunięć określa zasada (reguła) 

LE CHATELIERA- reguła przekory.

background image

5

Reguła przekory 

Reguła przekory 

/Reguła Le Chateliera i Brauna/

/Reguła Le Chateliera i Brauna/

         

H < 0  - reakcja egzotermiczna

3H

2

 + N

2

 

 2NH

3

                    równowaga 

T=const.

       

H > 0  - reakcja endotermiczna

A.  Podwyższamy  temperaturę    wznawia  bieg 

reakcja rozkładu NH

3

 (endotermiczna)

wpływ 

wpływ 

temperatury

temperatury

Ogólnie: podwyższenie temp. sprzyja reakcjom 

podwyższenie temp. sprzyja reakcjom 

endotermicznym, a obniżenie – egzotermicznym

endotermicznym, a obniżenie – egzotermicznym

.

B. Obniżamy temperaturę  wznawia bieg reakcja 

syntezy NH

3

 (egzotermiczna)

background image

6

Reguła przekory 

Reguła przekory 

/Reguła Le Chateliera i Brauna/

/Reguła Le Chateliera i Brauna/

wpływ 

wpływ 

ciśnienia

ciśnienia

         

v maleje

3H

2

 + N

2

 

 2NH

3

   równowaga 

p=const.

       

V rośnie

A. Zwiększamy ciśnienie  układ reaguje 

zmniejszeniem objętości (równowaga przesuwa się 
w prawo)  tworzenie NH

3

B. Zmniejszamy ciśnienie  układ reaguje 

zwiększeniem objętości (równowaga przesuwa się 
w lewo)  rozpad NH

3

wpływ zmiany 

wpływ zmiany 

stężenia

stężenia

3H

2

 + N

2

 

 

2NH

3

A. Doprowadzenie substratu  równowaga w 

prawo

C. Doprowadzenie produktu  równowaga w lewo

B. Odprowadzenie produktu  równowaga w prawo

background image

7

KINETYKA CHEMICZNA

KINETYKA CHEMICZNA

zajmuje  się  badaniem 

szybkości  reakcji

szybkości  reakcji 

oraz  mechanizmami  reakcji,  a  więc 
obejmuje 

zagadnienia 

szybkości 

dochodzenia układu do stanu równowagi.

background image

8

SZYBKOŚĆ REAKCJI 

SZYBKOŚĆ REAKCJI 

CHEMICZNEJ

CHEMICZNEJ

Reakcja:

Ag

+

  +  Cl

-

  AgCl

;  przebiega  bardzo 

szybko 

do 

wyczerpania 

jednego z substratów

WIĘKSZOŚĆ REAKCJI PRZEBIEGA 

Z SZYBKOŚCIĄ, KTÓRĄ MOŻNA 

MIERZYĆ

Reakcja:

H

2

 + 0,5O

2

 H

2

O

; w temp. otoczenia 

i bez katalizatora przebiega bardzo wolno

SZYBKOŚĆ  REAKCJI  CHEMICZNEJ

  jest  to 

ubytek  stężenia  substratów  reakcji  lub  przyrost 
stężenia  produktów  reakcji  w  nieskończenie 
małym odstępie czasu:

dt

dC

dt

dC

V

x

s

gdzie:V-szybkość 

reakcji 

chemicznej,
C

S

-stężenie substratów,

C

X

-stężenie produktów,

t-czas reakcji.

background image

9

SZYBKOŚĆ REAKCJI 

SZYBKOŚĆ REAKCJI 

CHEMICZNEJ

CHEMICZNEJ

Jakie 

czynniki 

decydują 

szybkości 

reakcji 

chemicznej?
1. 

Stężenie 

substratów

2. 

Temperatura

3.Obecność  
katalizatora 
(katalizatory 
dodatnie i ujemne)

C

s

C

s

,C

x

Zmiana 

stężenia 

substratów  (C

S

)  i  stężeń 

produktów  (C

X

)  w  czasie 

(t) przebiegu reakcji.

C

X

t

t

2t

3t

C

s

C

s

/

2

C

s

/

4

C

s

/

8

background image

10

Jeżeli reakcja ma postać:

aA + bB + ............. = IL + mM + .................

to szybkość reakcji wyniesie:

.....

C

C

k

v

b

B

a

A

gdzie:C

A

, C

B

-

stężenia substratów

a,b

-

współczynniki 

stechiometryczne

k

-

STAŁA 

SZYBKOŚCI 

REAKCJI

Równanie opisujące zależność szybkości reakcji 

od stężenia reagentów nazywamy: 

RÓWNANIEM KINETYCZNYM REAKCJI

k  –  szybkość  reakcji  gdy  stężenia  substratów 
równe są jedności: gdy C

A

 = C

B

 = ... = 1, to 

k = 

VStała szybkości reakcji k

 nie zależy od 

stężenia reagentów.

background image

11

Równanie kinetyczne 

reakcji

Sumę  wykładników  potęgowych  w  równaniu 
kinetycznym  na  szybkość  reakcji  nazywamy 

rzędem reakcji

:

a + b + ... = n 

rząd reakcji

Rząd niekatalizowanych reakcji wynosi na ogół:
n = 0 – 3; a katalizowanych n = 1 – 2.

Zależność  szybkości  reakcji  od  stężenia 
substratów jest zatem funkcją potęgową:

n

s

)

(C

k

V

C

S

- stężenie substratów

background image

12

CZĄSTECZKOWOŚĆ I RZĘDOWOŚĆ 

CZĄSTECZKOWOŚĆ I RZĘDOWOŚĆ 

REAKCJI CHEMICZNYCH

REAKCJI CHEMICZNYCH

CZĄSTECZKOWOŚĆ

 

reakcji 

jest 

liczbą 

cząsteczek  uczestniczących  jednocześnie  w 
tworzeniu 

cząsteczki 

produktu 

– 

limituje 

szybkość reakcji chemicznej.
Wyróżniamy  reakcje:  jednocząsteczkowe,     
dwucząsteczkowe,  trójcząsteczkowe, itd.

A

PRODUKTY

   np.:

        Br

2

      2 Br

A

C

k

V

REAKCJE JEDNOCZĄSTECZKOWE
W reakcji bierze udział jedna cząsteczka substratu:

Szybkość reakcji jednocząsteczkowych:

background image

13

CZĄSTECZKOWOŚĆ I RZĘDOWOŚĆ 

CZĄSTECZKOWOŚĆ I RZĘDOWOŚĆ 

REAKCJI CHEMICZNYCH

REAKCJI CHEMICZNYCH

2

A

B

A

C

k

V

C

C

k

V

równaniach 

tych, 

stężenie 

substratu 

występuje 

drugiej 

potędze.

Szybkość reakcji dwucząsteczkowych:

REAKCJE DWUCZĄSTECZKOWE
W  utworzeniu  produktu  biorą  udział  dwie 
cząsteczki substratu:

A + B                

PRODUKTY

   2A

PRODUKTY

np.:

H

2

 + Cl

2

2 HCl

     2 HI

            H

2

 + I

2

background image

14

CZĄSTECZKOWOŚĆ I RZĘDOWOŚĆ 

CZĄSTECZKOWOŚĆ I RZĘDOWOŚĆ 

REAKCJI CHEMICZNYCH

REAKCJI CHEMICZNYCH

REAKCJE TRÓJCZĄSTECZKOWE
Reagują ze sobą trzy cząsteczki substratu:

np.:      H

2

SO

3

 + I

2

 + H

2

O

H

2

SO

4

 + 2 HI

      2 NO + O

2

   2 NO

2

A + B + C

PRODUKTY

3A

            PRODUKTY

2A + B

PRODUKTY

3

A

B

2
A

C

B

A

C

k

V

C

C

k

V

C

C

C

k

V

Szybkość reakcji trójcząsteczkowych:

Suma wykładników 
potęgowych wynosi 

trzy

background image

15

CZĄSTECZKOWOŚĆ I RZĘDOWOŚĆ 

CZĄSTECZKOWOŚĆ I RZĘDOWOŚĆ 

REAKCJI CHEMICZNYCH

REAKCJI CHEMICZNYCH

Teoretycznie

:  szybkość  reakcji  jednocząsteczkowej 

jest  proporcjonalna  do  pierwszej  potęgi  stężenia 
substratów;

dwucząsteczkowej

do drugiej potęgi;

trójcząsteczkowej

do trzeciej potęgi.

RZĘDOWOŚĆ REAKCJI:

RZĘDOWOŚĆ REAKCJI:

Suma wykładników potęgowych w równaniu na 
szybkość reakcji, do której należy podnieść stężenia 
substratów by doświadczalnie wyznaczona szybkość 
reakcji była zgodna z wyliczoną z równania 
kinetycznego.

Praktycznie

:

Rzeczywista cząsteczkowość – RZĘDOWOŚĆ 

RZĘDOWOŚĆ 

REAKCJI

REAKCJI

 – nie zawsze jest zgodna z pozorną 

(teoretyczną) cząsteczkowością.

background image

16

CZĄSTECZKOWOŚĆ I RZĘDOWOŚĆ 

CZĄSTECZKOWOŚĆ I RZĘDOWOŚĆ 

REAKCJI CHEMICZNYCH

REAKCJI CHEMICZNYCH

REAKCJE PIERWSZEGO RZĘDU

REAKCJE PIERWSZEGO RZĘDU

:

Reakcje,  dla  których  doświadczalnie  wyznaczona 
szybkość  reakcji  jest  proporcjonalna  do  pierwszej 
potęgi stężenia substratu.

s

C

k

V

    

1;

n

REAKCJE DRUGIEGO RZĘDU:

REAKCJE DRUGIEGO RZĘDU:

Reakcje,  dla  których  doświadczalnie  wyznaczona 
szybkość reakcji jest proporcjonalna do pierwszej 
potęgi  stężenia  dwóch  substratów  lub  do 
kwadratu stężenia jednej substancji reagującej.

2

s

C

k

V

    

2;

n

background image

17

Analogicznie  dla 

= 3

:

3

s

C

k

V

Dla  reakcji 

n-tego 

rzędu

:

n

s

C

k

V

k

k

b

2

a

1

C

....

C

C

k

V

lub

gdzie:  a  +  b  +  ...  +  k  =  n             
rzędowość.

CZĄSTECZKOWOŚĆ I RZĘDOWOŚĆ 

CZĄSTECZKOWOŚĆ I RZĘDOWOŚĆ 

REAKCJI CHEMICZNYCH

REAKCJI CHEMICZNYCH

Występują również reakcje rzędu zerowego. 
Wówczas szybkość reakcji nie zależy od stężenia 
substratu: 

k

V 

background image

18

Wpływ temperatury na 

szybkość reakcji 

chemicznych

SZYBKOŚĆ 

REAKCJI 

CHEMICZNYCH 

SZYBKOŚĆ 

REAKCJI 

CHEMICZNYCH 

ROŚNIE ZE WZROSTEM TEMPERATURY,

ROŚNIE ZE WZROSTEM TEMPERATURY,

co  wiąże  się  ze  wzrostem  stałych  szybkości 

stałych  szybkości 

reakcji

reakcji

 (k).

np. 

chcąc 

przeprowadzić 

reakcję 

syntezy  wody  z  wydajnością  15%  należy 
go prowadzić:

w temp. 20C

-

54 miliardy lat;

w temp. 500C

-

50 minut;

temp. 

700C

-

przebiega 

wybuchowo.

background image

19

Empiryczna reguła van’t 

Hoffa:

Jeżeli    =  3,  a  temperatura  wzrośnie  o  100

o

  to 

szybkość reakcji wzrośnie 3

10

 razy.

Współczynnik  temperaturowy  szybkości  reakcji 
jest  to  liczba  wskazująca  ile  razy  wzrasta 
szybkość reakcji po podwyższeniu temperatury o 
10 stopni.

Podwyższenie temperatury o 10 stopni powoduje 
zwiększenie szybkości reakcji 2-4 razy.

Współczynnik 

temperaturowy 

szybkości 

Współczynnik 

temperaturowy 

szybkości 

reakcji:

reakcji:

T

10

T

k

k

gdzie: k

T+10

- stała 

szybkości reakcji w  
temp. T+10

  k

T

  - stała szybkości 

reakcji w  temp. T

background image

20

Współczynnik  temperaturowy  szybkości  reakcji 
zależy  od  temperatury,  przy  czym  zbliża  się  do 
jedności 

gdy 

temperatura 

dąży 

do 

nieskończoności:

gdy

T

to

1

Empiryczna reguła van’t 

Hoffa:

Można obliczać K w różnych 
temperaturach.

10

1

T

2

T

k

k

2

1

lg

T

T

T

k

k

lg

1

1

2

2

1

k

1

, k

2

 – stałe szybkości reakcji w temp. T

1

 i 

T

2

.

Ilościowo zależność ta wygląda następująco:

background image

21

Teoria zderzeń aktywnych – 

równanie Arrheniusa

Wg 

kinetycznej 

teorii 

materii 

reakcje 

chemiczne  zachodzą  w  wyniku  zderzeń 
cząsteczek substratów (np. dwóch).
Nie  wszystkie  zderzenia  są  jednak  efektywne, 
tzn. prowadzą do powstania produktów reakcji. 
Przyjmuje  się,  że  efektywne  są  tylko  te 
zderzenia,  w  których  biorą  udział  cząsteczki 
obdarzone  energią  wyższą  od  początkowej, 
równą lub większą od wartości E zwaną: 

ENERGIĄ AKTYWACJI

ENERGIĄ AKTYWACJI

ENERGIA  AKTYWACJI

ENERGIA  AKTYWACJI  przedstawia  zatem 
najmniejszą 

energię 

jaką 

muszą 

mieć 

cząsteczki substratów, aby mogły wejść w daną 
reakcję:               

E > E

E > E

śr.

śr.

background image

22

Teoria zderzeń aktywnych 

– równanie Arrheniusa

Cząsteczka  substratu  o  przeciętnej  energii  musi  zatem  przed 
wejściem  w  reakcję  uzyskać  pewien  nadmiar  energii,  na  skutek 
zderzeń  z  innymi  cząsteczkami.  Przejście  cząsteczki  ze  stanu 
energii  zbliżonej  do  początkowej  do  stanu  energii  aktywacji  dla 
reakcji endotermicznej i egzotermicznej przedstawia rysunek:

H

1

H

2

E

s

E

Energi
a

E

p

E

p

Współrzędna 
reakcji

E – energia aktywacji
E

s

 – energia substratów

E

p

 – energia produktów

H

1

 – ciepło reakcji 

endotermicznej
H

2

 – ciepło reakcji 

egzotermicznej

background image

23

Teoria zderzeń aktywnych 

– równanie Arrheniusa

Teoria  zderzeń  aktywnych  pozwala  śledzić 
zmiany 

szybkości 

reakcji 

funkcji 

temperatury.

RT

E

lnZ

k

 

ln

e

Z

k

o

RT

E

o

Jest to tzw. równanie ARRHENIUSA

równanie ARRHENIUSA

Z

–  ogólna  liczba 

zderzeń,
E – energia aktywacji,
R – stała gazowa,
T – temperatura
k  -  stała  szybkości 
reakcji

Wg PRAWA PODZIAŁU ENERGII 

PRAWA PODZIAŁU ENERGII 

MAXWELLA-BOLTZMANA

MAXWELLA-BOLTZMANA

 liczba zderzeń 

aktywnych cząsteczek (Z=k) wynosi:


Document Outline