Teorija

Ķīmiskais līdzsvars un faktori, kas to ietekmē
Lielākā daļa no visām reakcijām ir apgriezeniskas. Tas nozīmē, ka no reakcijas produktiem var veidoties izejvielas.
Aplūkosim apgriezeniskas reakcijas vispārīgo shēmu!
A+BpretreakcijareakcijaAB
 
reakc_pretreakc.PNG
 
Izpētīsim apgriezenisku reakciju no ķīmiskā ātruma viedokļa! Tiešajā reakcijā rodas savienojums AB, bet pretreakcijā šis savienojums sadalās par vielām A un B. Abas šīs reakcijas notiek vienlaicīgi. Sākotnēji tiešās reakcijas ātrums vt ir lielāks par pretreakcijas ātrumu vp, bet ar laiku pretreakcijas ātrums vp palielinās un kļūst lielāks par tiešās reakcijas ātrumu vt. Noteiktā laika momentā abu reakciju ātrums kļūst vienāds vt=vp. Šādu sistēmas stāvokli, kad tiešo un pretreakciju ātrums ir vienāds, sauc par ķīmisko līdzsvaru.
Līdzsvara stāvoklī reaģējošo vielu un reakcijas produktu koncentrācijas nemainās, jo gan tiešā, gan pretreakcija notiek vienādi ātri.
 
lidzsvars.PNG
 
Ķīmiskais līdzsvars ir sistēmas stāvoklis, kad tiešā reakcija un pretreakcija norit ar vienādu ātrumu, tādēļ vielu koncentrācija laikā nemainās.
 
No praktiskā viedokļa ir ļoti būtiski zināt gan katras reaģējošās vielas koncentrāciju līdzsvara stāvoklī, gan arī to, kā, mainot ārējos apstākļus, mainīsies līdzsvara stāvoklis. Piemēram, ķīmisko vielu ražošanā ir izdevīgi izmantot tādas reakcijas, kurās līdzsvara stāvoklī reakciju produktu koncentrācija ir liela, bet izejvielu - maza. Savukārt, ja reakcijas rezultātā rodas kaitīgas vielas, tad ir svarīgi zināt, kā jāmaina apkārtējie apstākļi, lai līdzsvara stāvoklī reakcijas produktu koncentrācija būtu pēc iespējas mazāka.
Tā kā līdzsvara stāvoklī abu reakciju ātrumi ir vienādi vt=vp, tad var rakstīt:
ktcAcB=kpcABktkp=cABcAcB
Konstanšu attiecība ktkp arī ir konstants lielums, un to sauc par ķīmiskās reakcijas līdzsvara konstanti.
Klīdzsvara=ktkp
 
Ķīmiskā līdzsvara konstante ir atkarīga no reaģējošo vielu dabas un temperatūras, bet nav atkarīga no vielu koncentrācijas un katalizatora klātbūtnes.
Ja sistēmā līdzsvara stāvoklī nemainīgā temperatūrā maina kādas vielas (izejvielas vai produkta) koncentrāciju, mainās arī pārējo vielu koncentrācija, bet līdzsvara konstantes skaitliskā vērtība nemainās. Tas nozīmē, ka nevar patvaļīgi izmainīt tikai vienas vielas koncentrāciju - mainīsies arī visas pārējās.
Lai gan katalizators ietekmē gan tiešās, gan pretreakcijas ātrumu, tomēr tas var izmainīt tikai līdzsvara iestāšanās brīdi.
 
Līdzsvara konstantei ir liela praktiska nozīme. Pēc tās skaitliskās vērtības var spriest par reakcijas norisi. Ja līdzsvara konstante Klīdzsvara>1, tad līdzsvara stāvoklī reakcijas produkta koncentrācija ir lielāka nekā izejvielu koncentrācija. Tas nozīmē, ka līdzsvars tiek vērsts tiešās reakcijas virzienā. Ja līdzsvara konstante Klīdzsvara<1, tad izejvielu koncentrācija pārsniedz reakcijas produktu koncentrāciju. Tas nozīmē, ka līdzsvars tiek vērsts pretreakcijas virzienā.
 
Nemainoties ārējiem apstākļiem, ķīmiskais līdzsvars var pastāvēt neierobežoti ilgi. Tiešās reakcijas ātrums vt un pretreakcijas ātrums vp ir atkarīgs no reaģējošo vielu koncentrācijas c, temperatūras t un spiediena p (gāzveida vielām). Mainot kādu no trim ārējiem apstākļiem, ķīmiskais līdzsvars tiek izjaukts, jo kļūst nevienādi tiešās un pretreakcijas ātrumi vtvp. Reaģējošo vielu maisījums cenšas sasniegt jaunu līdzsvara stāvokli vt=vp, kurā ir citas vielu līdzsvara koncentrācijas, bet neizmainās ķīmiskā līdzsvara konstantes vērtība Klīdzsvara.
 
Līdzsvara nobīdes atkarību no apstākļiem nosaka Lešateljē princips, kas apgalvo, ka līdzsvarā esoša reakcija vienmēr darbosies pretī ārējo apstākļu maiņai.
 
Lešateljē princips:
ārējo apstākļu (koncentrācijas, spiediena, temperatūras) maiņa līdzsvarā esošā sistēmā no divām pretējām reakcijām palielina tās reakcijas ātrumu, kuras rezultātā ārējo apstākļu maiņa tiek mazināta.
 
Ja līdzsvarā esošu vielu maisījuma temperatūra un spiediens nemainās, tad līdzsvaru var ietekmēt, pievadot vai aizvadot kādu no maisījumā esošajām vielām. Palielinot kādas vielas koncentrāciju, līdzsvars pārvietosies tās reakcijas virzienā, kurā šī viela ir izejviela. Palielinot izejvielu koncentrāciju, ķīmiskais līdzsvars pārvietojas produktu rašanās virzienā.
 
konc_izm.PNG
 
Paaugstinot temperatūru, ķīmiskais līdzsvars pārvietojas endotermiskās reakcijas virzienā. Temperatūru pazeminot, ķīmiskais līdzsvars pārvietojas eksotermiskās reakcijas virzienā. Eksotermiskā reakcijā temperatūras paaugstināšana izraisa reakcijas produkta daudzuma samazināšanos, endotermiskai - palielināšanos.
 
ekso_endo.PNG
 
Palielinot spiedienu, ķīmiskais līdzsvars pārvietojas tās reakcijas virzienā, kurā vielu tilpumi samazinās. Spiediens ietekmē ķīmisko līdzsvaru tikai tad, ja gāzveida vielu molekulu skaits pirms un pēc reakcijas nav vienāds.
Lešateljē princips ir noderīgs, lai kvalitatīvi novērtētu reakcijas līdzsvara izmaiņas virzienu. Kvantitatīviem aprēķiniem nepieciešama līdzsvara konstantes skaitliskā vērtība.
 
Piemērs:
Noskaidrosim, kā jāizmaina reakcijas apstākļi tā, lai dotajā reakcijā līdzsvars pārvietotos reakcijas produktu rašanās virzienā!
N2(g)+3H2(g)2NH3(g)+Q
Tā kā reakcija ir eksotermiska, tad, samazinot temperatūru, reakcijas līdzsvars pārvietosies reakcijas produkta rašanās virzienā.
 
No amonjaka iegūšanas ķīmiskās reakcijas vienādojuma redzam, ka, reaģējot 1 molam slāpekļa un 3 moliem ūdeņraža, veidojas 2 moli amonjaka. Amonjaka tilpums ir divas reizes mazāks nekā slāpekļa un ūdeņraža maisījuma kopējais tilpums. Tāpēc, palielinot spiedienu, līdzsvars pārvietojas amonjaka rašanās virzienā.
 
Ja no šāda gāzu maisījuma aizvada amonjaku, tad paliek neizreaģējušais slāpeklis un ūdeņradis, kā rezultātā atkal sākas amonjaka veidošanās. Amonjaka iznākumu var arī palielināt, papildus pievadot sistēmā slāpekli. Tādā gadījumā slāpeklis, lai atjaunotu līdzsvaru, cenšas reaģēt ar ūdeņradi, jo tad tā daudzums samazinās un atbilstoši palielinās amonjaka daudzums.
 
Atsauce:
Kaksis Ā., Ķīmija 10. klasei, Lielvārds, 2009, 146 - 149