Metodyka i praktyka szkolna
Stan równowagi
chemicznej
Scenariusz lekcji chemii w szkole ponadgimnazjalnej
S
c
e
n
a
r
i
u
s
z
l
e
k
c
j
i
c
h
e
m
i
i
w
s
z
k
o
l
e
p
o
n
a
d
g
i
m
n
a
z
j
a
l
n
e
j
Scenariusz ten uzyskał I nagrodę w konkursie, pod tym samym tytułem,
ogłoszonym na łamach naszego czasopisma. Realizacja scenariusza
wymaga co najmniej trzech jednostek lekcyjnych. Do jego realizacji
nie jest konieczna znajomość zagadnień kinetyki reakcji chemicznych.
WA
ODZIMIERZ KUÅšMIERCZUK
Cele ogólne lekcji: " zapisać prawo działania mas na podsta-
" Wyjaśnić znaczenie terminów: odwra- wie równania reakcji w układach homo-
calność reakcji chemicznej, równowaga genicznych i heterogenicznych
chemiczna i jej dynamiczny charakter, " zinterpretować wartość liczbową stałej
stan równowagi. równowagi reakcji
" Zapoznać z prawem równowagi (prawem " stosować regułę przekory w sytuacjach
działania mas) i stałą równowagi. zmian: ilości reagenta, jego stężenia, ci-
" Wskazać na możliwości sterowania śnienia, objętości, temperatury
przebiegiem reakcji chemicznej i na- " posługiwać się prawem równowagi do
uczyć posługiwania się regułą przekory. sterowania kierunkiem przebiegu reakcji
" określać wpływ rozcieńczania (zatęża-
Cele operacyjne: nia) na równowagę
Uczeń wie: " przeprowadzać obliczenia dotyczące sta-
" co to jest reakcja odwracalna nu równowagi reakcji.
" na czym polega dynamiczny charakter
równowagi chemicznej Metoda: problemowa
" kiedy w układzie ustala się stan równo-
wagi Materiały: Arkusze do ćwiczeń (załączni-
" czego dotyczy prawo równowagi (prawo ki I, II i III), odczynniki i sprzęt laborato-
działania mas) ryjny podane w opisie doświadczeń.
" że stałą równowagi oblicza się na pod-
stawie stężeń równowagowych w stałej PRZEBIEG LEKCJI
temperaturze Część wprowadzająca: Odwracalność re-
" że stała równowagi zależy tylko od tem- akcji chemicznej
peratury N: Zapisując równania reakcji i oblicza-
" że katalizator nie wpływa na stan równo- jąc na podstawie ilości substratu ilość pro-
wagi duktu zakładaliśmy, że przynajmniej jeden
Uczeń umie: z substratów przekształci się całkowicie
" wyjaśnić, czym różni się stan stacjonarny w produkt(y). Czy założenie to jest praw-
od stanu równowagi dziwe? Sprawdzimy to na przykładzie reak-
4/2007
41
Metodyka i praktyka szkolna
cji zobojętnienia słabego dwuprotonowego także wychodząc od produktów tej reakcji,
kwasu szczawiowego mocną zasadą, wodo- co zaobserwowaliście w doświadczeniu 2.
rotlenkiem sodu. Zapis tej reakcji można przedstawić nastę-
Zapiszcie równanie reakcji wodorotlen- pująco:
ku sodu z kwasem szczawiowym H2C2O4.
2NaOH + H2C2O4
Jednym z produktów jest sól  obojętna ,
Na2C2O4 +2H2O
szczawian sodu. W jakim stosunku molo-
wym reagują ze sobą te substancje? Strzałki o przeciwnych grotach ozna-
czają, że w każdym momencie substancje
Doświadczenie 1. i 2. po lewej stronie przekształcają się w te po
Odczynniki i sprzęt: roztwory mianowane stronie prawej, i odwrotnie. Podział na
 1 mol·dm 3 NaOH i 0,5 mol·dm 3 kwas substraty i produkty staje siÄ™ umowny i za-
szczawiowy (sporządzone np. z gotowych leży od sposobu zapisania równania reak-
odważek analitycznych), fenoloftaleina, pi- cji. Wszystkie reagenty tworzą jeden układ,
peta wielomiarowa 5 cm3, krystaliczny a reakcje zapisane  w prawo i  w lewo sÄ…
szczawian sodu, woda destylowana, probów- wzajemnie uwarunkowane.
ki, szpatułka.
1. Do probówki wprowadz
za pomocą pi- Odwracalność odnosi się do wszelkich
pety po 5 cm3 1 mol·dm 3 roztworu NaOH procesów molekularnych, także fizycznych,
i 0,5 1 mol·dm 3 roztworu kwasu szczawio- np. takich jak rozpuszczanie czy przemiany
wego. Zawartość wymieszaj. Czy użyte ilo- fazowe.
ści zasady i kwasu są stechiometryczne?
Dodaj do otrzymanego roztworu 3 kro- Część postępująca:
ple roztworu fenoloftaleiny. O czym świad- I. Równowagi chemiczne
czy różowe zabarwienie roztworu? N: Skoro reakcje mogą być odwracalne,
Wniosek: Mimo stechiometrycznej ilości to w chwili, w której ilości substratów
kwasu, część wodorotlenku sodu nie prze- i produktów przestają zmieniać się, nie ma
reagowała, zatem pozostała też część kwa- postępu reakcji. Na poziomie makrosko-
su szczawiowego. powych parametrów układu zmiany już nie
zachodzÄ…, natomiast na poziomie moleku-
2. Do probówki zawierającej ok. 10 cm3 larnym reakcje w obu kierunkach nadal
wody destylowanej dodaj szczyptę stałego biegną, ale z jednakową niezerową szybko-
szczawianu sodu, wymieszaj do rozpuszcze- ścią. W tym samym czasie taka sama ilość
nia soli, a następnie dodaj 3 krople roztwo- każdego z reagentów zanika, jak i powsta-
ru fenoloftaleiny. je. Stan taki nazywamy równowagą dyna-
O czym świadczy różowe zabarwienie miczną.
roztworu? Warunkiem osiągnięcia przez reagenty
Wniosek: Szczawian sodu reaguje z wo- stanu równowagi jest dynamika procesów
dą. Jednym z produktów jest wodorotlenek molekularnych!
sodu (drugim musi być kwas szczawiowy). Nie wystarczy zmieszanie ze sobą re-
agentów.
N: Sytuacja, którą zaobserwowaliście Jeśli przypominacie sobie reakcję estry-
w doświadczeniu 1. nie jest bynajmniej wy- fikacji i odwrotną do niej reakcję hydroli-
jątkowa. Reakcje chemiczne, w których zy, to odpowiadają one warunkom reakcji
substraty nie przekształcają się całkowicie odwracalnej. Sprawdz
my jakie warunki
w produkty są pospolite. Reakcje takie, to trzeba zapewnić, aby można było osiągnąć
reakcje odwracalne. stan równowagi podczas hydrolizy aspiry-
Stan, w którym nie obserwuje się dal- ny, związku, który jest estrem kwasu
szego postępu reakcji, można osiągnąć octowego.
Chemia w Szkole
42
Metodyka i praktyka szkolna
Doświadczenie 3. Jeżeli układ jest homogeniczny, to rów-
Odczynniki i sprzęt: aspiryna, stężony nowaga dotyczy jego każdego makrosko-
H2SO4, woda, pipeta, probówki, palnik powego fragmentu. Oznacza to, że stan
Do probówki wypełnionej w 1/3 wodą równowagi takiego układu można opisać
wrzuć pół tabletki aspiryny. podając tylko wartości parametrów nieza-
Po rozpuszczeniu sprawdz
zapach za- leżnych od wielkości układu, tzw. parame-
wartości. Następnie ogrzej zawartość i po- trów intensywnych. W szczególności są to
wtórnie sprawdz
zapach. temperatura (T), ciśnienie (p) i stężenia
Dodaj pipetą ok. 2 cm3 stężonego kwasu molowe wszystkich składników układu.
siarkowego, ogrzej i znowu sprawdz
za- Różne stany równowagi to różne zestawy
pach. wartości tych parametrów.
N: O czym świadczy zapach octu w trze- Każda reakcja w układzie izolowanym
ciej próbie? U: Utworzył się kwas octowy, może być traktowana jako odwracalna, a to
tzn. zaszła reakcja hydrolizy. oznacza, że w stanie równowagi muszą wystę-
N: Jaka była rola kwasu siarkowego w tej pować wszystkie reagenty, chociaż ilości (stę-
reakcji? U: Był katalizatorem. żenia) niektórych mogą być bardzo małe.
Wniosek: Hydroliza aspiryny (estru)
i dojście do stanu równowagi reakcji wyma- Problem: Jeżeli w danej chwili wszyst-
ga niezerowej szybkości reakcji, tj. odpo- kie parametry poszczególnych części na-
wiedniej temperatury i katalizatora. szego ciała mają ustalone wartości, czy
oznacza to, że jako organizm jesteśmy
N: Makroskopowa szybkość reakcji w stanie równowagi?
w stałej temperaturze osiąga po pewnym Dyskusja... nie dłuższa niż 5 minut! Na-
czasie wartość zerową. Czas ten zależy uczyciel koryguje wypowiedzi i wyjaśnia:
od szybkości reakcji, a wysoka temperatura NIE! Chociaż parametry organizmu mogą
i katalizatory skracają go. Mamy wówczas być w danej chwili stałe, organizm nasz
stan równowagi. W stanie tym wszystkie utrzymuje stałą temperaturę, ale ciągle
parametry układu mają ustalone wartości oddaje energię do otoczenia, wymienia
zwane wartościami równowagowymi. Kata- substancje z otoczeniem, reakcje utlenia-
lizator nie wpływa na równowagę, tylko nia biegną w jednym kierunku, etc. Stan
pozwala ją szybciej osiągnąć. taki nazywamy stanem stacjonarnym.
Układ w równowadze musi być układem
Definicje: izolowanym! Ale... W odniesieniu do jed-
1. Układ jest izolowany, jeżeli nie wymienia nostkowych procesów w poszczególnych
z otoczeniem masy (substancji) ani energii. częściach organizmu możemy mówić
2. Układ homogeniczny składa się z jednej o równowagach i do ich opisu stosować do-
fazy i może to być pojedyncza substancja, brze poznane przez naukę prawa dotyczą-
mieszanina gazów lub roztwór ce równowag. Możemy wpływać na stan
Uwaga!: Pojęcie fazy powinno być tych równowag, a to może być kwestią ży-
uczniom znane lub trzeba je zdefiniować. cia bądz
śmierci.
Wiąże się z tym pojęciem określenie parame-
try intensywne. Uwaga: Tekst ćwiczeń uczniowie otrzy-
mują jako załącznik (załącznik I, s. 44).
Zasada przyrody: Jeżeli reakcja che-
miczna (lub dowolny proces molekularny) II. Prawo równowagi (prawo działania
biegnie w układzie izolowanym, to po ja- mas)
kimś czasie ustali się stan równowagi, N: Jeżeli w układzie homogenicznym za-
w którym wszystkie parametry układu osią- chodzi reakcja odwracalna przedstawiona
gają stałe wartości. umownym zapisem:
4/2007
43
Metodyka i praktyka szkolna
a A + b B c C + d D skojarzeń, nazwiemy je PRAWEM RÓW-
to w stanie równowagi stężenia molowe NOWAGI.
wszystkich reagentów spełniają zależność, Funkcja stężeń równowagowych sub-
która wynika z równania reakcji. stratów i produktów, której postać wynika
z równania reakcji, ma dla danej reakcji,
[C]c[D]d
K = w określonej temperaturze, wartość stałą.
[A]a[B]b
Liczba ta to stała równowagi. W warun-
K jest dla reakcji w stałej temperaturze kach niezbyt wielkich ciśnień stała równo-
wielkością stałą (liczbą) i nazywa się stałą wagi zależy wyłącznie od temperatury.
równowagi reakcji. Zależność ta została Wartości stałych równowag uzyskuje-
odkryta doświadczalnie i nazwana prawem my z pomiarów, np. stężeń równowago-
działania mas (tzw.  masy aktywne , to wych lub związanych z nimi innych wielko-
w dawnej terminologii stężenia). Prawo to ści. Na podstawie wartości liczbowej tej
jest wnioskiem z praw termodynamiki dla stałej możemy stwierdzić, czy w stanie rów-
układów w stanie równowagi i ma ogólniej- nowagi reakcji przeważają substraty
sze odniesienia, także do procesów fizycz- (K << 1), produkty (K >> 1), czy też ilo-
nych. Traktujcie je jako prawo przyrody. ści substratów i produktów są porównywal-
Ponieważ jego nazwa nie nasuwa żadnych ne (K ~ 1) (załącznik II).
Załącznik I
Ćwiczenia:  Odwracalność procesów chemicznych i fizycznych .
1. Jeżeli ogrzewamy w otwartym tyglu węglan wapnia, to reakcja zachodzi do końca
i otrzymujemy tlenek wapnia i dwutlenek węgla.
CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) s  substancja stała, g  gaz
Tlenek wapnia przechowywany w otwartym pojemniku, w temperaturze otocze-
nia przekształci się całkowicie w węglan wapnia, tzn. zachodzi reakcja odwrotna.
Obie reakcje są jednak nieodwracalne. Jakie warunki powinny być spełnione, aby
reakcja była odwracalna, tj. osiągnęła stan równowagi?
Zapisać wniosek: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. Jeżeli do szklanki z lodem dolejemy wody i będziemy kontrolowali temperaturę
mieszaniny, to po pewnym czasie ustali siÄ™ ona na wartoÅ›ci 0°C.
 Czy oznacza to, że ustalił się stan równowagi dla procesu topnienia? (co dzieje się
z ilościami obu faz?)
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
 Jakie warunki powinny być zapewnione, aby stan równowagi został osiągnięty?
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wniosek: Do utrzymania stanu równowagi nie wystarczy, aby układ był zamknię-
ty. Nie może on też wymieniać energii z otoczeniem.
Chemia w Szkole
44
Metodyka i praktyka szkolna
Załącznik II
Uwaga: Pierwsze przykłady rozwiązujemy na lekcji, zaś pozostałe są zadaniem do-
mowym.
1. Zapisz prawo równowagi (wyrażenie na stałą równowagi) dla następujących re-
akcji w układach homogenicznych:
a. 2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) Ka =
b. COCl2(g) CO(g) + Cl2(g) Kb = Kb = 12,2 (900 K)
c. H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g) Kc = Kc = 1,8·1033 (298 K)
d. COCl2(g) + H2(g) CO(g) + 2HCl(g) Kd =
e. HClO(aq) H+(aq) + ClO (aq) Ke = Ke = 5·10 8 (298 K)
f. NH4+(aq) + PO43 (aq) NH3(aq) + HPO42 (aq) Kf =
g. NH4+(aq) + H2O NH3(aq) + H3O+(aq) Kg = Kg = 5,6·10 10
h. PO43 (aq) + H3O+(aq) HPO42 (aq) + H2O Kh = Kh = 7,7·1013
2. Ze sformułowania prawa działania mas wynika, że:
A. Stała równowagi reakcji zapisanej w odwrotnym kierunku jest równa 1/K.
B. Stała równowagi reakcji zapisanej jako suma równań reakcji 1 i 2 jest równa
K1·K2
C. Stała równowagi reakcji zapisanej jako różnica równań reakcji 1 i 2 jest równa
K1/K2
Sprawdz
, na podstawie ćwiczenia 1, że:
1. Kd = Kb·Kc 2. Kh = Kf/Kg
3. dla reakcji 2SO3 2SO2 + O2; K =1/Ka
 Jakie praktyczne znaczenie mają te właściwości? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
 Oblicz wartości: Kd i Kf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
 Na podstawie wartości liczbowych stałych równowag z ćwiczenia 1 określ, czy
w podanych warunkach równowaga  sprzyja produktom reakcji, czy substratom.
3. A. Oblicz wartość stężeniowej stałej równowagi syntezy amoniaku
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
jeżeli w temp. 200°C równowagowe stężenia wynoszÄ…: [N2] = 2,12 mol·dm 3,
[H2] = 1,75 mol·dm3, [NH3] = 84,3 mol·dm 3.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B. Dla reakcji przedstawionej równaniem: PCl5(g) PCl3(g) + Cl2(g) stała
równowagi w temp. 500°C, K = 35. Jakie jest stężenie równowagowe Cl2, jeże-
li stężenia PCl5 i PCl3 wynoszÄ… odpowiednio 0,015 mol·dm 3 i 0,78 mol·dm 3?
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Porównaj stężenia obu produktów tej reakcji. Czy wynik obliczenia jest dla Cie-
bie zaskakujÄ…cy?
Komentarz nauczyciela: Jak pamiętasz, stan równowagi układu można osiągnąć
wychodząc z substratów lub produktów bądz
mieszając ze sobą jedne i drugie. Stężenia
równowagowe nie muszą być w relacji molowej wynikającej z równania reakcji, nato-
miast ich zmiany na skutek postępu reakcji zawsze!
4/2007
45
Metodyka i praktyka szkolna
Załącznik II, cd.
Równowagi w układach heterogenicznych
N: Jeżeli któryś składnik układu równowagowego jest ciałem stałym lub czystą
cieczą, to stężenie molowe tej substancji jest wielkością stałą, charakterystyczną dla
tej substancji. W wyrażeniu na stałą równowagi substancje takie pomija się (w miej-
scu stężenia tej substancji jest liczba 1). Dlaczego można tak postąpić?
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Przykład 1. C(s) + H2O(g) CO(g) + H2(g); K =([CO][H2])/[H2O]
PrzykÅ‚ad 2. Ag2CrO4(s) 2Ag+(aq) + CrO42 ; K = [Ag+]2·[CrO42 ]
Przykład 3. H2O(c) H2O(g); K = [H2O(g)]
Przykład 4. Autodysocjacja wody: H2O(c) H+(aq) + OH (aq);
Kw = [H+]·[OH -] = 10 14 (T = 298 K)
N: W tym przypadku zmiana stężenia wody spowodowana rozpadem na jony jest
niemierzalnie mała. Dla równowag w rozcieńczonych roztworach wodnych, w któ-
rych reagentem jest woda przyjmuje się, że zmiana jej stężenia jest znikoma i stęże-
nie molowe wody przyjmuje się za stałe.
4. Zapisz wyrażenie na stałą równowagi następujących procesów w układach hetero-
genicznych.
a) I2(s) I2(g) K =
b) Ca3(PO4)2(s) 3Ca2+(aq) + 2PO43 (aq) K =
c) C(s) + H2O(g) CO(g) + H2(g) K =
d) AgCl(s) + 2NH3(aq) Ag(NH3)2+(aq) + Cl (aq) K =
e) CaCO3(s) + CO2(aq) + H2O(c) Ca2+(aq) + 2HCO3 (aq) K =
5. Zapisz równania następujących reakcji z najmniejszymi całkowitymi współczynni-
kami stechiometrycznymi. Zaznacz stany reagentów. Zapisz wyrażenia na prawo
równowagi.
a) Gazowy cząsteczkowy wodór rozpada się na atomy.
b) Gazowy azot i gazowy tlen Å‚Ä…czÄ… siÄ™ w gazowy tlenek diazotu.
c) Jony wapnia i jony fosforanowe(V) w roztworze łączą się tworząc stały fosfo-
ran(V) wapnia.
d) Stały tlenek żelaza(III) reaguje z gazowym wodorem tworząc stałe żelazo i pa-
rÄ™ wodnÄ….
e) Stały chlorek ołowiu(II) rozpuszcza się w wodzie.
f) Stały węglan amonu rozkłada się na gazy: amoniak, ditlenek węgla i wodę.
Co to jest iloraz reakcji Q?
Jeżeli na podstawie stężeń, które nie odpowiadają stanowi równowagi obliczymy
dla reakcji w stałej temperaturze wartość funkcji wynikającej z prawa równowagi, to
nie jest ona równa K. Wartość ta nosi nazwę ilorazu reakcji (Q) i nie jest dla niej
wielkością stałą. Wartość Q w danym momencie informuje nas o tym, w którą stro-
nę biegnie reakcja, o ile znamy wartość jej stałej równowagi. Ponieważ układ dąży
do stanu równowagi, to wartość Q zbliża się do K.
Jeśli Q < K, to reakcja biegnie w prawo (wyjaśnij dlaczego). Jeśli Q > K, to reak-
cja biegnie w lewo. Gdy Q = K, to reakcja jest w stanie równowagi.
Chemia w Szkole
46
Metodyka i praktyka szkolna
Załącznik II, cd.
6. 1. W naczyniu o pojemności 5 dm3 umieszczono 0,035 mola SO2, 0,500 mola
SO2Cl2 i 0,080 mola Cl2. Zawartość umieszczono w termostacie o temperatu-
rze 100°C. Stężeniowa staÅ‚a równowagi reakcji:
SO2Cl2(g) SO2(g) + Cl2(g) w tej temperaturze, K = 0,078
 Oblicz początkowe stężenia molowe reagentów.
 Zapisz wyrażenie na Q tej reakcji i oblicz wartość Q dla stężeń początkowych.
 Porównaj wartość Q z wartością K i określ, w którą stronę biegnie reakcja.
2. Chlorek ołowiu(II) jest solą trudno rozpuszczalną. W roztworze nasyconym tej
soli ustala się równowaga:
PbCl2(s) Pb2+(aq) + 2Cl (aq)
Stała równowagi dla tego procesu (tzw. iloczyn rozpuszczalności) w temperatu-
rze 25°C, K = 2·10 5.
Zmieszano jednakowe objÄ™toÅ›ci roztworów 0,02 mol·dm 3 Pb(NO3)2
i 0,02 mol·dm 3 NaCl. Czy ustali siÄ™ stan równowagi ww. procesu, tj. czy wytrÄ…-
ci siÄ™ osad PbCl2?
 Oblicz stężenia jonów Pb2+ i Cl po zmieszaniu roztworów.
 Zapisz wyrażenie na Q (w tym wypadku nazywa się on iloczynem jonowym),
oblicz jego wartość i porównaj z K.
 Zapisz wniosek.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
III. Sterowanie przebiegiem reakcji suwać zmieniając stężenia reagentów.
i reguła przekory Kierunek reakcji prowadzącej do nowe-
N: Dynamiczny charakter równowagi re- go stanu równowagi, lub brak reakcji
akcji chemicznej sprawia, że zmienia się ona układu, wynika z postaci prawa równowa-
już pod wpływem niewielkiego bodz
ca. Rów- gi. Jeżeli zwiększymy (zmniejszymy) tylko
nowaga dynamiczna jest plastyczna i można stężenia substratów (mianownik ułamka), to
ją kształtować. Analogią z mechaniki może w nowym stanie równowagi muszą wzrosnąć
być zachowanie masywnego pojazdu. Jeśli (zmaleć) stężenia produktów i reakcja bie-
samochód lub samolot są w ruchu, to nie- gnie w prawo (w lewo). Może to dotyczyć
wielka zmiana w położeniu kierownicy czy jednego lub więcej substratów. Analogicznie
sterów zmienia znacząco jego tor. W przy- jest ze zmianą stężeń produktów. Można to
padku statycznym, taka zmiana pozostałaby zrealizować dodając do układu lub usuwając
bez reakcji. Możemy świadomie zaburzać z niego (na różne sposoby) odpowiednie
równowagę w taki sposób, aby proces zacho- substancje. Zmieniając ilość jednego z re-
dził ciągle i to w jednym pożądanym kierun- agentów musimy przeanalizować, jak wpły-
ku. Wówczas, nawet gdy wartość stałej rów- nie to na jego stężenie, oraz stężenia pozo-
nowagi dla produktu nie jest korzystna, stałych reagentów. Zmiana ilości stałej
możemy uzyskać znaczny stopień przekształ- substancji nie wpłynie na równowagę, o ile
cenia substratów. Musimy zmieniać parame- nie usuniemy jej całkowicie.
try układu w taki sposób, aby zmierzał on do W układach gazowych stężenia zmienia-
nowego stanu równowagi poprzez reakcję ją się, gdy zmienia się objętość lub ciśnie-
w wybranym kierunku. nie w układzie.
W stałej temperaturze (K ma wówczas Pytanie: Kiedy zmiana ciśnienia nie wpły-
określoną wartość) równowagi można prze- nie na stan równowagi reakcji? . . . . . . . . .
4/2007
47
Metodyka i praktyka szkolna
U: Jeśli wśród reagentów nie występują można uzyskać tylko na podstawie prawa
substancje gazowe. równowagi, które ma charakter ilościowy.
N: Nie tylko wtedy. Jeśli w wyniku reak- Regułę przekory można rozbić na kilka
cji nie zmienia się liczba moli gazów, wów- uszczegółowionych twierdzeń dotyczących
czas zmiana ciśnienia prowadzi do innych wpływu na równowagę zmiany jednego pa-
stężeń równowagowych bez naruszenia sa- rametru.
mej równowagi. 1. Jeżeli zwiększymy (zmniejszymy) stęże-
Zadanie domowe dla chętnych: nie któregoś z reagentów, to równowaga
Wykażcie, że dla reakcji syntezy tlenku przesunie się w kierunku jego prze-
azotu z pierwiastków zmiana ciśnienia nie kształcenia (odtworzenia).
narusza równowagi. 2. Jeżeli zwiększymy (obniżymy) ciśnienie
Reguła przekory w układzie gazowym, to równowaga
Inny sposób naruszenia równowagi pole- przesunie się w kierunku zmniejszenia
ga na zmianie wartości stałej równowagi, (zwiększenia) liczby moli gazów. Jeżeli
co można osiągnąć zmieniając tempera- liczba moli gazowych substratów i pro-
turę. Rodzaj zależności temperaturowej K duktów jest jednakowa, to zmiana ci-
zależy od rodzaju efektu cieplnego reakcji. śnienia nie narusza równowagi.
Dla reakcji egzotermicznych ("H < 0) stała 3. Zmiana objętości układu gazowego jest
równowagi maleje ze wzrostem temperatu- równoważna zmianie ciśnienia (para-
ry, zaś dla reakcji endotermicznych metr intensywny) zgodnie z równaniem
("H > 0) zwiększa się. W nowej temperatu- pV = constans. Patrz punkt 2.
rze stężenia równowagowe produktów zmie- 4. Jeżeli podwyższymy temperaturę, co jest
nią się w odpowiedni sposób. Ten rodzaj za- równoważne dostarczeniu ciepła, to zaj-
leżności wynika z praw termodynamiki, dzie reakcja z pobraniem ciepła (endo-
a tych poznawać nie będziemy. termiczna). Obniżenie temperatury
Prostszym sposobem określania wpływu przesunie równowagę w stronę procesu
zmiany parametrów na stan równowagi jest egzotermicznego. W obu sytuacjach
posługiwanie się empiryczną regułą, zwaną zmienia się wartość stałej równowagi.
regułą Le Chateliera lub regułą przekory. Reguła Le Chateliera umożliwia proste
Jej treść można sformułować następują- odtworzenie zależności temperaturowej
co: Jeżeli zmienimy któryś z parame- stałej równowagi. Ze wzrostem temperatu-
trów intensywnych równowagi (T, p, ry K rośnie dla rekcji endotermicznej
stężenie lub liczbę reagentów), to (przesunięcie równowagi w prawo) i male-
w układzie zachodzi reakcja, która pro- je dla reakcji egzotermicznej (równowaga
wadziłaby do redukcji tej zmiany. przesuwa się w lewo).
Komentarz: Nowy stan równowagi, do Badanie przesuwania równowag zacznie-
którego zmierza układ po zmianie parame- my, jak Le Chatelier, od doświadczeń.
trów, może być osiągnięty, gdy prowadząca
do niego reakcja powodowałaby efekt prze- Doświadczenie 1. (przeprowadzane ja-
ciwny do wprowadzonej zmiany. W tym sen- ko pokaz lub ćwiczenia uczniowskie)
sie odpowiedz
układu na zmianę jest prze- Cel doświadczenia: Sprawdzić, jak na
korna. Nie oznacza to, że pierwotna wartość równowagę reakcji w roztworze wpływa
parametrów zostanie przywrócona! zmiana stężenia i temperatury.
Reguła ta jest użyteczna, gdy zmiana doty- Reakcja:
czy jednego z parametrów lub stężeń samych
Co(H2O)62+(aq) + 4Cl (aq)
substratów lub samych produktów. Gdy zmia-
różowy
ny dotyczą kilku parametrów równocześnie,
CoCl42 (aq) + 6H2O(c) "H ? 0
odpowiedz
na to, w którą stronę (substratów
niebieski
czy produktów) przesunie się równowaga,
Chemia w Szkole
48
Metodyka i praktyka szkolna
Zapisz wyrażenie na stałą równowagi tej Planowanie i wykonanie:
reakcji. Jak potraktujesz stężenie wody? N: W jaki sposób można obniżyć roz-
Odczynniki i sprzÄ™t: 0,2 mol·dm 3 roz- puszczalność chlorku oÅ‚owiu(II) (przesu-
twór CoCl2, stężony kwas solny, tryskawka nąć równowagę w lewo)?
z wodą destylowaną, zlewka z gorącą wodą U: Zwiększyć stężenie jonów Pb2+, Cl ,
(ok. 90°C), zlewka z mieszaninÄ… wody i lo- obniżyć temperaturÄ™.
du, statyw do probówek z 3 probówkami; N: Stężenie jonu można zwiększyć doda-
Wykonanie: jÄ…c innej substancji zawierajÄ…cej ten sam jon.
1. W trzech probówkach umieścić po ok. 1. Do 2 probówek z roztworem nasyconym
3 cm3 roztworu chlorku kobaltu(II). (bez osadu) PbCl2 w temp. pokojowej do-
2. Do pierwszej probówki dodaj dwukrot- dajcie wkraplaczem  do jednej roztwór
ną objętość stężonego roztworu HCl. Pb(NO3)2, a do drugiej rozwór NH4Cl.
Zanotuj zmianę barwy. Następnie roz- Czy uzyskaliście przewidywany efekt?
cieńcz zawartość wodą destylowaną. Co 2. Gorący nasycony roztwór (bez osadu)
zaobserwowałeś? W którym kierunku zanurzcie w zlewce z zimną wodą. Czy
przesuwa się równowaga? przewidywany efekt został osiągnięty?
3. Drugą probówkę zanurz na kilka minut N: W jaki sposób można przesunąć rów-
do gorÄ…cej wody. Zanotuj zmianÄ™ barwy. nowagÄ™ tego procesu w prawo?
Następnie ochłodz
jej zawartość w zlew- U: Podwyższyć temperaturę, obniżyć
ce z lodem. Co zaobserwowałeś? stężenia jonów chlorkowych i ołowiu(II).
4. Probówka trzecia służy jako próbka N: Ogrzejcie nasycony roztwór PbCl2
kontrolna. z osadem. Czy przypuszczenie potwierdziło
Dyskusja i wnioski: . . . . . . . . . . . siÄ™?
Uwagi: Doświadczenie pozwala obserwo-
wać zmiany stanu równowagi reakcji pod Problem: Jeśli do roztworu nasyconego
wpływem zmiany stężenia (zwiększanie stęże- PbCl2 w stałej temperaturze dodamy do-
nia substratu i rozcieńczanie) oraz tempera- datkową ilość tej soli, to czy wpłynie to
tury. Stężenie wody należy przyjąć za stałe. na stan równowagi procesu rozpuszczania?
Analizę przypadku rozcieńczania powinien
przeprowadzić nauczyciel! Uczniowie samo- Doświadczenie 3. (badanie wpływu
dzielnie określają znak entalpii reakcji. na równowagę w układzie substancji trze-
cich, załącznik III)
Doświadczenie 2. (badanie wpływu Komentarz N: Jeżeli do układu w stanie
wspólnego jonu na równowagę jonową równowagi chemicznej dodamy innej sub-
w roztworze) stancji, która reaguje z którymś z substra-
Pokaz lub doświadczenia uczniowskie tów lub produktów, to powoduje to obniże-
Cel doświadczenia: Planowanie działań nie, nieraz drastyczne, stężenia tego
mających na celu sterowanie procesem reagenta i przesunięcie równowagi. W tym
rozpuszczania chlorku ołowiu(II). samym układzie ustalają się nowe stany
Odczynniki i sprzęt: Nasycone roztwory równowag. Równowagi takie są ze sobą
PbCl2 w temp. pokojowej i na gorąco, roz- sprzężone.
twory nasycone Pb(NO3)2 i NH4Cl, pro- Cel doświadczenia: Zbadanie wpływu
bówki, 2 wkraplacze, łapa do probówek, pH na równowagę chemiczną.
zlewka z zimną wodą, palnik. Odczynniki i sprzęt: 2 probówki z roztwo-
W roztworze nasyconym chlorku oło- rem K2CrO4, 2 probówki z roztworem
wiu(II) ustala siÄ™ równowaga: K2Cr2O7, 2 mol·dm 3 rozwór NaOH,
2 mol·dm 3 roztwór H2SO4, dwa wkraplacze.
PbCl2(s) Pb2+(aq) + 2 Cl (aq)
N: W żółtym roztworze chromianu(VI)
potasu ustala się równowaga:
"H >0
4/2007
49
Metodyka i praktyka szkolna
2CrO42 (aq) + H2O
W stanie równowagi obecne są wszystkie
reagenty, co nie oznacza, że ich stęże-
Cr2O72 (aq) + 2OH (aq)
nia są równe. Równowaga ustala się
W roztworze pomarańczowym dichro- w układach izolowanych i wówczas każ-
mianu(VI) potasu ustala się równowaga: da reakcja może być traktowana jako
odwracalna.
Cr2O72 (aq) + H2O
" W stanie równowagi stężenia reagentów
2CrO42 (aq) + 2H+(aq)
gazowych oraz w roztworach spełniają
W obu równowagach przeważają sub- zależność, której postać wynika z równa-
straty i barwa roztworów jest właściwa od- nia reakcji. Zależność ta nosi nazwę pra-
powiednim jonom. Aby przesunąć równo- wa działania mas (prawa równowagi).
wagi znacząco w prawo możemy, zamiast Wartość tej funkcji stężeń równowago-
zwiększać stężenia substratów, obniżyć stę- wych jest dla danej reakcji zależna tylko
żenia produktów, dodając do roztworów od temperatury i nazywa się stałą równowa-
substancji, które przereagują z jednym gi (K). Substancje stałe i czyste chemicznie
z produktów. ciecze mają w stałej temperaturze określone
Zaproponujcie takie substancje dla obu stężenie i te wartości nie występują w prawie
równowag. równowagi. Liczbowa wartość stałej równo-
Dyskusja i wykonanie doświadczenia. wagi informuje jakie są relacje pomiędzy
Uwaga: Jeden rozwór pomarańczowy i je- stężeniami substratów i produktów. Duża
den żółty zachowajcie jako próbki kontrolne. wartość K świadczy o tym, że w mieszaninie
1. Do jednego z dwóch żółtych roztworów równowagowej dominują produkty. K jest
dodajcie kilka kropli roztworu kwasu. rosnÄ…cÄ… funkcjÄ… temperatury dla reakcji en-
O czy świadczy zmiana barwy? Wyjaśnij dotermicznych i malejącą dla reakcji egzo-
przyczynę przesunięcia równowagi. termicznych. Prawo równowagi stosuje się
2. Do jednego z pomarańczowych roztwo- również do procesów fizycznych.
rów dodajcie kilka kropli roztworu za- " Z dynamicznego charakteru równowagi
sady. O czym świadczy zmiana barwy? wynika, że może być ona naruszona
Wyjaśnij przyczynę przesunięcia równo- przez nieznaczną zmianę któregoś z jej
wagi. parametrów. Układ zmierza wówczas
do nowego stanu równowagi. Kierunek
Komentarz: Wiele równowag chemicz- ewolucji i nowe wartości parametrów
nych w naszym organizmie ulega sprzęganiu wynikają z prawa równowagi. Równowa-
z kwasami i z zasadami. pH naszych płynów ga dynamiczna jest plastyczna, tzn., że
ustrojowych musi być stabilne. Za niskie pH można ją kształtować i przemieszczać
(kwasica) lub za wysokie (zasadowica) mo- w określonym kierunku poprzez ingero-
że powodować śmierć. wanie w układ, np. przez ciągłe usuwa-
nie produktów możemy przekształcić
IV. Podsumowanie: substraty całkowicie w produkty, nawet
" Niektóre reakcje chemiczne są odwra- wtedy, gdy stała równowagi nie jest du-
calne, tzn. nie tylko substraty przekształ- ża. Jakościowy opis kierunku przemiesz-
cają się w produkty, ale w tym samym czenia równowagi pozwala określić re-
czasie część produktów przekształca się guła Le Chateliera (reguła przekory).
z powrotem w substraty. Kiedy układ Mówi ona, że jeśli układ w stanie równo-
odwracalny osiąga stan, w którym szyb- wagi zostanie poddany działaniu jakie-
kości reakcji w obydwu kierunkach goś zewnętrznego bodz
ca, to kierunkowi
zrównują się, to jest to równowaga dyna- przesunięcia równowagi odpowiada ten
miczna. W stanie tym temperatura, proces, który zmniejszyłby efekt tego
ciśnienie i stężenia reagentów są stałe. bodz
ca.
Chemia w Szkole
50
Metodyka i praktyka szkolna
Załącznik III
Wpływ rozcieńczania (zatężania) mieszaniny równowagowej na stan równowagi.
Jeżeli mieszaninę równowagową, dla której prawo równowagi ma postać
[C]c[D]d
K = rozcieńczymy, dodając rozpuszczalnika lub gazu obojętnego
[A]a[B]b
przy stałym ciśnieniu, wówczas wszystkie stężenia maleją w identyczny sposób. Ule-
gnÄ… przeskalowaniu o czynnik x (x < 1). W stanie zaburzonym Q = K·xc+d a b. JeÅ›li
wykładnik (c + d  a  b) > 0, to Q < K i równowaga przesuwa się w prawo. Gdy ten
sam wykładnik jest ujemny, to Q > K i równowaga jest przesunięta w lewo. Dla ze-
rowej wartości tego wykładnika Q = K i równowaga zostaje zachowana przy niższych
stężeniach.
1. Dla następujących równowag określ wpływ każdego z zamieszczonych w tabeli
bodz
ców na przesunięcie równowagi, wpisując w odpowiednich rubrykach: wle-
wo, w prawo, nie wpływa.
a) N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) + ciepło
b) H2(g) + I2(g) 2HI(g) + ciepło
c) CH3COOH(aq) + ciepło CH3COO (aq) + H+(aq)
d) C(s) + H2O(g) + ciepło CO(g) + H2(g)
e) Cu2+(aq) + H2O(c) + ciepło Cu(OH)+(aq) + H+(aq)
f) CO2(g) + H2O(c) HCO3 (aq) + ciepło
g) H2O(c) H2O(g) (jest to para nasycona)
 Które z ww. równowag przemieszczają się pod wpływem dodania kwasu/zasady?
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
 Czy stężenie pary wodnej nasyconej w przypadku procesu (g) zmienia się gdy
zmienimy tylko ciśnienie?
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Proces Wzrost temperatury Obniżenie ciśnienia Rozcieńczenie
a
b
c
d
e
f
g
4/2007
51