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

∆

⇔

+