Układ w stanie równowagi chemicznej A + B ⇔ C + D
Reakcje biegną:
A + B → C + D
C + D → A + B
ale stężenia się nie zmieniają:
c = const
c = const
c = const
c = const
A
B
C
D
P.Łukowski, 2
W układach jednorodnych (jednofazowych) aA + bB ⇔ cC + dD
T = const, p = const
cc ⋅ cd
w stanie równowagi:
K
C
D
=
= const
c
ca ⋅ cb
A
B
Dla reakcji przebiegających w fazie gazowej zamiast stężeń można użyć ciśnień cząstkowych: pc ⋅ pd
K
C
D
=
= const
p
pa ⋅ pb
A
B
K = K (RT)∆n
∆n – zmiana liczby moli;
p
c
∆n = (c + d) – (a + b)
P.Łukowski, 3
W układach niejednorodnych (wielofazowych) Stężenia składników w fazach stałych = 1.
Przykład:
c
⋅ c
CaCO
⇔ CaO + CO
CaO
CO 2
=
3 (s)
(s)
2 (g)
Kc
cCaCO 3
ale c
= 1, c
= 1 ⇒ K = c
CaCO3
CaO
c
CO2
K = p
i ∆n = 1 + 1 – 1 = 1 ⇒ K = K RT = c
RT
p
CO2
p
c
CO2
P.Łukowski, 4
Reguła przekory (Le Chateliera i Brauna) Układ w stanie równowagi dąży do zachowania tego stanu.
Jeśli na układ działa bodziec (zmiana temperatury, ciśnienia, stężenia któregoś z reagentów), wytrącający go ze stanu równowagi, to układ przeciwdziała temu bodźcowi, odpowiednio zmieniając stan równowagi.
W ten sposób można sterować wydajnością procesów technologicznych.
P.Łukowski, 5
Reguła przekory (Le Chateliera i Brauna) 1. Reakcje w roztworach.
substraty ⇔ produkty
K = c
/c
= const
prod
substr
Dodanie do układu substratu zwiększa jego stężenie.
Aby zachować stałość K, układ musi odpowiednio zwiększyć stężenie produktu.
P.Łukowski, 6
Reguła przekory (Le Chateliera i Brauna) 2. Reakcje przebiegające z efektem cieplnym.
A. Reakcje endotermiczne
substraty + Q ⇔ produkty
T ↑ ⇒ układ dąży do obniżenia T
ciepło jest po stronie substratów ⇒ układ musi zwiększyć stężenie produktów ⇒ wydajność procesu wzrasta T ↓ ⇒ układ dąży do podniesienia T
ciepło jest po stronie substratów ⇒ układ musi zwiększyć stężenie substratów ⇒ wydajność procesu spada Przykład: wypał wapna CaCO + Q ⇔ CaO + CO
3
2
im wyższa temperatura, tym wyższa wydajność procesu P.Łukowski, 7
Reguła przekory (Le Chateliera i Brauna) 2. Reakcje przebiegające z efektem cieplnym.
B. Reakcje egzotermiczne
substraty ⇔ produkty + Q
T ↑ ⇒ układ dąży do obniżenia T
ciepło jest po stronie produktów ⇒ układ musi zwiększyć stężenie substratów ⇒ wydajność procesu spada T ↓ ⇒ układ dąży do podniesienia T
ciepło jest po stronie produktów ⇒ układ musi zwiększyć stężenie produktów ⇒ wydajność procesu wzrasta Przykład: gaszenie wapna CaO + H O ⇔ Ca(OH) + Q
2
2
im wyższa temperatura, tym niższa wydajność procesu P.Łukowski, 8
Reguła przekory (Le Chateliera i Brauna) 3. Reakcje przebiegające ze zmianą ciśnienia (faza gazowa).
A. Reakcje przebiegające ze zmniejszeniem ciśnienia substraty + V ⇔ produkty
p ↑ ⇒ układ dąży do obniżenia p
większe ciśnienie jest po stronie substratów ⇒ układ musi zwiększyć stężenie produktów ⇒ wydajność procesu wzrasta p ↓ ⇒ układ dąży do podniesienia p
większe ciśnienie jest po stronie substratów ⇒ układ musi zwiększyć stężenie substratów ⇒ wydajność procesu spada Przykład: synteza Habera-Boscha N + 3H ⇔ 2NH
2
2
3
im wyższe ciśnienie, tym wyższa wydajność procesu P.Łukowski, 9
Reguła przekory (Le Chateliera i Brauna) 3. Reakcje przebiegające ze zmianą ciśnienia (faza gazowa).
B. Reakcje przebiegające ze zwiększeniem ciśnienia substraty ⇔ produkty + V
p ↑ ⇒ układ dąży do obniżenia p
większe ciśnienie jest po stronie produktów ⇒ układ musi zwiększyć stężenie substratów ⇒ wydajność procesu spada p ↓ ⇒ układ dąży do podniesienia p
większe ciśnienie jest po stronie produktów ⇒ układ musi zwiększyć stężenie produktów ⇒ wydajność procesu wzrasta Przykład: produkcja gazu syntezowego CH + H O ⇔ CO + 3H
4
2
2
im wyższe ciśnienie, tym niższa wydajność procesu P.Łukowski, 10