A KMIAI EGYENSLYI RENDSZEREK HenryLouis Le Chatelier 1850

A KÉMIAI EGYENSÚLYI RENDSZEREK Henry-Louis Le Chatelier (1850 -1936) Karl Ferdinand Braun (1850 -1918)

A KÉMIAI EGYENSÚLY A zárt rendszerben végbemenő megfordítható folyamatok mind egyensúlyra vezetnek. Az egyensúly azt jelenti, hogy az ellentétes irányú folyamatok egy bizonyos idő eltelte után azonos sebességgel folynak, így a külső szemlélő az egyensúly beállta után a rendszerben már nem észlel változást. v v 1 Dinamikus egyensúlyi állapot v 1 idő A dinamikus egyensúlyi állapot legfontosabb jellemzői: Ø dinamikus, mert a folyamat molekuláris szinten folyamatos mindkét irányba, Ø külső tényezők (hőmérséklet, nyomás) az egyensúlyt megváltoztatják, Ø az egyensúly bármelyik irányból elérhető. TÁMOP 4. 1. 2. B. 2 -13/1 -2013 -0007 „ORSZÁGOS KOORDINÁCIÓVAL A PEDAGÓGUSKÉPZÉS MEGÚJÍTÁSÁÉRT”

A TÖMEGHATÁS TÖRVÉNYE Általánosságban: a. A + b. B + c. C… A kémiai reakció során az egyensúlyba jutott rendszerben a keletkezett anyagok k. K + l. L + m. M +… megfelelő hatványon vett koncentrációinak szorzata osztva a kiindulási anyagok megfelelő hatványon vett koncentrációinak szorzatával, állandó hőmérsékleten állandó értéket ad. Ez az ún. egyensúlyi állandó Kc. Néhány példa: N 2 + 3 H 2 2 NH 3 2 SO 2 + O 2 2 SO 3 Cl 2 + CO COCl 2 TÁMOP 4. 1. 2. B. 2 -13/1 -2013 -0007 „ORSZÁGOS KOORDINÁCIÓVAL A PEDAGÓGUSKÉPZÉS MEGÚJÍTÁSÁÉRT”

PÉLDA A TÖMEGHATÁS TÖRVÉNYRE Számítsuk ki az egyensúlyi összetételt, ha 1 mol ecetsavat és 1 mol etanolt elegyítünk! A reakció egyensúlyi állandója Kc = 4. CH 3 COOH + C 2 H 5 OH Kiindulási anyagmennyiség Reagált anyagmennyiség Egyensúlyi anyagmennyiség 1 mol x mol 1 mol 0 mol x mol x mol (1 - x) mol 1/3 mol CH 3 COOC 2 H 5 + H 2 O 1/3 mol 2/3 mol TÁMOP 4. 1. 2. B. 2 -13/1 -2013 -0007 „ORSZÁGOS KOORDINÁCIÓVAL A PEDAGÓGUSKÉPZÉS MEGÚJÍTÁSÁÉRT”

PÉLDA A TÖMEGHATÁS TÖRVÉNYRE Számítsuk ki az egyensúlyi összetételt, ha 5 mol ecetsavat és 1 mol etanolt elegyítünk! A reakció egyensúlyi állandója Kc = 4. CH 3 COOH + C 2 H 5 OH Kiindulási anyagmennyiség Reagált anyagmennyiség Egyensúlyi anyagmennyiség 5 mol CH 3 COOC 2 H 5 + H 2 O 1 mol 0 mol x mol (5 - x) mol (1 - x) mol x mol 4, 055 mol 0, 945 mol x mol 0, 055 mol 0, 945 mol TÁMOP 4. 1. 2. B. 2 -13/1 -2013 -0007 „ORSZÁGOS KOORDINÁCIÓVAL A PEDAGÓGUSKÉPZÉS MEGÚJÍTÁSÁÉRT”

A LEGKISEBB KÉNYSZER ELVE A Le Chatelier-Braun elv kimondja, hogy az egyensúlyi rendszerekben valamilyen külső hatásra mindig olyan irányú változás indul meg, amely a külső hatás csökkenő érvényesülését eredményezi. Ez lehetőséget ad arra, hogy az egyensúlyi reakciók lejátszódását a kívánt irányba befolyásoljuk. TÁMOP 4. 1. 2. B. 2 -13/1 -2013 -0007 „ORSZÁGOS KOORDINÁCIÓVAL A PEDAGÓGUSKÉPZÉS MEGÚJÍTÁSÁÉRT”

AZ EGYENSÚLY BEFOLYÁSOLÁSÁNAK LEHETŐSÉGEI 1. Hőmérséklet Exoterm, azaz hőtermelő reakció egyensúlyának eltolása a keletkezés (felső nyíl irányába) hőelvonással (hűtéssel) lehetséges. A hőelvonásra, mint külső hatásra, a hőtermelő folyamat sebessége növekszik meg, hogy ezáltal a rendszer hőmérséklete a lehető legkevesebbet változzon. Endoterm, azaz hőelnyelő reakció egyensúlyának eltolása a keletkezés (felső nyíl irányába) hőközléssel (melegítéssel) lehetséges. A hőközlésre, mint külső hatásra, a hőelnyelő folyamat sebessége növekszik meg, hogy ezáltal a rendszer hőmérséklete a lehető legkevesebbet változzon. Pl. : a N 2 + 3 H 2 ammóniatermelésnek. a 2 CH 4 2 NH 3 reakció exoterm, a hűtés kedvez az 2 C 2 H 2 + H 2 reakció endoterm, a hőmérséklet növelése kedvez az acetiléntermelésnek. TÁMOP 4. 1. 2. B. 2 -13/1 -2013 -0007 „ORSZÁGOS KOORDINÁCIÓVAL A PEDAGÓGUSKÉPZÉS MEGÚJÍTÁSÁÉRT”

AZ EGYENSÚLY BEFOLYÁSOLÁSÁNAK LEHETŐSÉGEI 2. Nyomás Térfogat-növekedéssel járó reakció egyensúlyának eltolása a keletkezés (felső nyíl irányába) nyomás csökkentésével lehetséges. (Gázfázisú reakciók esetén a térfogatnövekedés az anyagmennyiség növekedésével együtt jár. ) A nyomás csökkentésének hatására annak a folyamatnak a sebessége nő meg, amely növeli az anyagmennyiséget, ezáltal a nyomáscsökkentés részben kompenzálódik. Térfogat-csökkenéssel járó reakció egyensúlyának eltolása a keletkezés (felső nyíl irányába) nyomás növelésével lehetséges. (Gázfázisú reakciók esetén a térfogatcsökkenés az anyagmennyiség csökkenésével együtt jár. ) A nyomás növelésének hatására annak a folyamatnak a sebessége nő meg, amely csökkenti az anyagmennyiséget, ezáltal a nyomásnövekedés részben kompenzálódik. Pl. : a N 2 + 3 H 2 a 2 CH 4 2 NH 3 reakciónak a nyomás növelése kedvez. 2 C 2 H 2 + H 2 reakciónak a nyomás csökkentése kedvez. TÁMOP 4. 1. 2. B. 2 -13/1 -2013 -0007 „ORSZÁGOS KOORDINÁCIÓVAL A PEDAGÓGUSKÉPZÉS MEGÚJÍTÁSÁÉRT”

GÁZOK TERMIKUS DISSZOCIÁCIÓJA Ha egy gáz a hőmérséklet hatására bomlik, azaz termikus disszociációt szenved, akkor megnövekszik a részecskék száma. Ennek hatására csökken az átlagos moláris tömeg, és nő a gáz nyomása. ahol i a van’t Hoff-tényező. Értéke az i = 1+a(n – 1) képlettel számítható. a: a disszociációfok n : egy molekula hány részre disszociál TÁMOP 4. 1. 2. B. 2 -13/1 -2013 -0007 „ORSZÁGOS KOORDINÁCIÓVAL A PEDAGÓGUSKÉPZÉS MEGÚJÍTÁSÁÉRT”

PÉLDA A GÁZOK TERMIKUS DISSZOCIÁCIÓJÁRA Hány százalékos az ammónia disszociációja, ha 400 o. C hőmérsékleten és 25, 0 bar nyomáson 3, 93 kg/m 3 a sűrűsége? Az ammónia disszociációja: 2 NH 3 N 2 + 3 H 2 1 mol ammóniából 2 mol termék keletkezik, így n = 2 A gázok sűrűségének számítása: Ennek alapján: TÁMOP 4. 1. 2. B. 2 -13/1 -2013 -0007 „ORSZÁGOS KOORDINÁCIÓVAL A PEDAGÓGUSKÉPZÉS MEGÚJÍTÁSÁÉRT”

AZ ELEKTROLITOS DISSZOCIÁCIÓ Az elektrolitos disszociáció egy vegyületnek megfordítható folyamatban végbemenő (reverzibilis) bomlása, amelynek során az oldószer hatására elektromos töltéssel rendelkező részecskék, ionok keletkeznek. Pl. : TÁMOP 4. 1. 2. B. 2 -13/1 -2013 -0007 „ORSZÁGOS KOORDINÁCIÓVAL A PEDAGÓGUSKÉPZÉS MEGÚJÍTÁSÁÉRT”

AZ ELEKTROLITOS DISSZOCIÁCIÓ JELLEMZÉSE A disszociáció eredményeként olyan oldat jön létre, amelyben szabad mozgásra képes ionok vannak, ezért az oldat vezeti az áramot. A keletkezett oldat tehát elektrolit. Ezért az oldószer hatására történő bomlást elektrolitos disszociációnak nevezzük. Az elektrolitos disszociációt a disszociációfokkal és az egyensúlyi folyamatra felírt egyensúlyi állandóval, a disszociáció-állandóval jellemezzük. KA K + + A- Elektrolitok csoportosítása: Kd 10 -3 gyenge elektrolit 1 középerős elektrolit TÁMOP 4. 1. 2. B. 2 -13/1 -2013 -0007 „ORSZÁGOS KOORDINÁCIÓVAL A PEDAGÓGUSKÉPZÉS MEGÚJÍTÁSÁÉRT”

ERŐS ELEKTROLITOK Az erős elektrolitok disszociációs állandója (Kd) nagyobb mint 1, ami azt jelenti, hogy a disszociáció gyakorlatilag teljes, azaz α ≈ 1. Az ionkoncentráció tehát a disszociációs egyenletből számítható. Pl. : Megjegyzés: Töményebb oldatokban az ionok egymásra gyakorolt hatása miatt nem minden ion fejti ki hatását. Híg oldatokban ez a hatás elhanyagolható. Az első három reakcióban a H+ írásmód csak közelítés, hiszen az oldatban szabad proton nem létezik. TÁMOP 4. 1. 2. B. 2 -13/1 -2013 -0007 „ORSZÁGOS KOORDINÁCIÓVAL A PEDAGÓGUSKÉPZÉS MEGÚJÍTÁSÁÉRT”

GYENGE ELEKTROLITOK A gyenge elektrolitok disszociációs állandója (Kd) kisebb mint 10 -3, ami azt jelenti, hogy a disszociáció alacsony, legfeljebb néhány százalék. Az ionkoncentráció tehát a disszociációs egyenletből csak a disszociáció figyelembe vételével nem számítható. Pl. : HCOOH H+ HCOO– Ks = 1, 77∙ 10– 4 mol/dm 3 CH 3 COOH H+ + CH 3 COO– Ks = 1, 75∙ 10– 4 mol/dm 3 NH 3 + H 2 O NH 4 + OH– Kb = 1, 80∙ 10– 4 mol/dm 3 TÁMOP 4. 1. 2. B. 2 -13/1 -2013 -0007 „ORSZÁGOS KOORDINÁCIÓVAL A PEDAGÓGUSKÉPZÉS MEGÚJÍTÁSÁÉRT”

TÖBBÉRTÉKŰ GYENGE ELEKTROLITOK A többértékű gyenge savak és bázisok több lépésben disszociálnak. Azonban a második és további disszociációjuk a legtöbb esetben elhanyagolható. Pl. : TÁMOP 4. 1. 2. B. 2 -13/1 -2013 -0007 „ORSZÁGOS KOORDINÁCIÓVAL A PEDAGÓGUSKÉPZÉS MEGÚJÍTÁSÁÉRT”

A VÍZ AUTOPROTOLÍZISE A vízmolekulák egy más közti protonátadással járó reakcióját autoprotolízisnek nevezzük. A víz nagyon gyenge elektrolit, benne az ionkoncentráció igen kicsi (ezért mondjuk, hogy gyakorlatilag a víz alig vezeti az áramot). Pontos mérésekkel kimutatták, hogy a tiszta vízben [H 3 O+] = [OH–] = 10– 7 mol/dm 3 A p. H fogalmát Søren Peter Lauritz Sørensen (1868– 1939) dán biokémikus vezette be. A p. H és a p. OH közötti összefüggés: p. H + p. OH = 14 p. H = 7 p. H = 0 savasság Megjegyzés: p. H = 14 lúgosság A p. H és a p. OH fenti definíciója közelítő számításokra és csak híg oldatokban használható. TÁMOP 4. 1. 2. B. 2 -13/1 -2013 -0007 „ORSZÁGOS KOORDINÁCIÓVAL A PEDAGÓGUSKÉPZÉS MEGÚJÍTÁSÁÉRT”

A PH SZÁMÍTÁSA ERŐS SAVAK ÉS ERŐS BÁZISOK ESETÉN 1. Határozzuk meg a 0, 05 mol/dm 3 koncentrációjú sósavoldat p. H-ját! A sósav erős, egyértékű sav, ezért [H+] = [HCl] = 0, 05 mol/dm 3 p. H = – lg[H+] = – lg 0, 05 = – (– 1, 30) = 1, 30 2. Határozzuk meg a 0, 05 mol/dm 3 koncentrációjú KOH-oldat p. H-ját! A KOH erős, egyértékű bázis, ezért [OH-] = [KOH] = 0, 05 mol/dm 3 p. OH = –lg[OH– ] = -lg 0, 05 = – (– 1, 30) = 1, 30 p. H = 14 – p. OH = 14 – 1, 30 = 12, 7 TÁMOP 4. 1. 2. B. 2 -13/1 -2013 -0007 „ORSZÁGOS KOORDINÁCIÓVAL A PEDAGÓGUSKÉPZÉS MEGÚJÍTÁSÁÉRT”

A PH SZÁMÍTÁSA ERŐS SAVAK ÉS BÁZISOK ESETÉN 2. 5. Határozzuk meg a w = 1, 36%-os sósav p. H-ját! (Sűrűség: 1, 005 g/cm 3) Először a kénsavoldat anyagmennyiség-koncentrációját kell meghatározni. 100 g oldat térfogata: Ebben van 4, 39 g HCl, melynek anyagmennyisége: A kénsavoldat koncentrációja: A sósav p. H-ja: p. H = -lg [H+] = -lg 0, 374 = 0, 43 TÁMOP 4. 1. 2. B. 2 -13/1 -2013 -0007 „ORSZÁGOS KOORDINÁCIÓVAL A PEDAGÓGUSKÉPZÉS MEGÚJÍTÁSÁÉRT”

A PH SZÁMÍTÁSA GYENGE SAVAK ÉS GYENGE BÁZISOK ESETÉN A gyenge elektrolitok disszociációja alacsony, így a koncentrációjának meghatározásához ezt figyelembe kell venni. hidrogénion Gyenge savak p. H-ja: p. H = 0, 5(– lg Ks – lg c) Mennyi a 0, 02 mol/dm 3 koncentrációjú ecetsavoldat p. H-ja? Ks = 1, 75∙ 10– 5 mol/dm 3 p. H = 0, 5(– lg Ks – lg c) = 0, 5∙(–lg(1, 75∙ 10– 5 – lg 0, 02) = 3, 23 Hasonlítsuk össze ezt az értéket az ugyanilyen koncentrációjú sósavoldat p. H-jával! Mivel a sósavoldat egyértékű erős sav, így p. H = – lg 0, 02 = 1, 70 Tehát az azonos koncentrációjú sósav lényegesen savasabb, mint a vele azonos koncentrációjú, de gyenge ecetsavoldat. TÁMOP 4. 1. 2. B. 2 -13/1 -2013 -0007 „ORSZÁGOS KOORDINÁCIÓVAL A PEDAGÓGUSKÉPZÉS MEGÚJÍTÁSÁÉRT”

A PUFFEROLDATOK Vannak olyan egyensúlyi rendszerek, amelyekben a sav vagy lúg hozzáadása a vártnál sokkal kisebb p. H-változást okoz. Bizonyos feltételek teljesülése esetén az ilyen rendszerek p. H-ja közelítőleg állandónak tekinthető. Ezeket az egyensúlyi rendszereket puffereknek, vagy más néven kiegyenlítő oldatoknak nevezzük. Tekintsünk egy oldatot, amelyben ecetsav és nátrium-acetát van. Az oldatban lejátszódó folyamatok: Ha az oldathoz erős savat adunk, akkor az az első egyensúlyt az alsó nyíl irányba tolja el, ezzel tompítva az erős sav hatását. Ha az oldathoz erős lúgot adunk, akkor az a második egyensúlyt az alsó nyíl irányba tolja el, ezzel tompítva az erős lúg hatását. TÁMOP 4. 1. 2. B. 2 -13/1 -2013 -0007 „ORSZÁGOS KOORDINÁCIÓVAL A PEDAGÓGUSKÉPZÉS MEGÚJÍTÁSÁÉRT”

A PUFFEROLDATOK Vannak olyan egyensúlyi rendszerek, amelyekben a sav vagy lúg hozzáadása a vártnál sokkal kisebb p. H-változást okoz. Bizonyos feltételek teljesülése esetén az ilyen rendszerek p. H-ja közelítőleg állandónak tekinthető. Ezeket az egyensúlyi rendszereket puffereknek, vagy más néven kiegyenlítő oldatoknak nevezzük. Tekintsünk egy oldatot, amelyben NH 3 és NH 4 Cl van. Az oldatban lejátszódó folyamatok: Ha az oldathoz erős lúgot adunk, akkor az az első egyensúlyt az alsó nyíl irányba tolja el, ezzel tompítva az erős lúg hatását. Ha az oldathoz erős savat adunk, akkor az a második egyensúlyt az alsó nyíl irányba tolja el, ezzel tompítva az erős sav hatását. TÁMOP 4. 1. 2. B. 2 -13/1 -2013 -0007 „ORSZÁGOS KOORDINÁCIÓVAL A PEDAGÓGUSKÉPZÉS MEGÚJÍTÁSÁÉRT”

A PUFFEROLDATOK ÖSSZETÉTELE Nézzük az előző két puffert! CH 3 COOH és CH 3 COONa GYENGE SAV A gyenge sav + erős bázis sója SAVAS PUFFER NH 3 és NH 4 Cl GYENGE BÁZIS A gyenge bázis + erős sav sója LÚGOS PUFFER A pufferek p. H-ja Savas pufferek p. H-ja: Lúgos pufferek p. H-ja: TÁMOP 4. 1. 2. B. 2 -13/1 -2013 -0007 „ORSZÁGOS KOORDINÁCIÓVAL A PEDAGÓGUSKÉPZÉS MEGÚJÍTÁSÁÉRT”

A PUFFEROLDATOK PH-JÁNAK SZÁMÍTÁSA Legyen a gyenge sav HA és annak erős bázissal alkotott sója BA. A gyenge sav disszociációja: Alkalmazzuk az egyensúlyra a tömeghatás törvényét: A oldatban lévő só jól disszociál: A só disszociációjából származó anionok a gyenge sav amúgy is kismértékű disszociációját visszaszorítják, ezért [AH] ≈ csav A só jól disszociál, gyenge savból pedig elenyésző számú anion kerül az oldatba, ezért [A–] ≈ csó Ennek alapján a savas pufferek p. H-ja: A lúgos pufferek p. OH-ja (és ezután a p. H-ja) hasonlóképpen vezethető le. TÁMOP 4. 1. 2. B. 2 -13/1 -2013 -0007 „ORSZÁGOS KOORDINÁCIÓVAL A PEDAGÓGUSKÉPZÉS MEGÚJÍTÁSÁÉRT”

A PUFFERKAPACITÁS A pufferek p. H-juk megváltoztatására irányuló külső hatások ellenére (sav illetve bázis hozzáadására) az oldat p. H értékét bizonyos határon belül közel állandó értéken tartják. A pufferek kiegyenlítő képességének mértékeként a pufferkapacitást használjuk. Pufferkapacitáson értjük az 1 mol/dm 3 koncentrációjú erős sav, illetve erős bázis azon térfogatát (cm 3 -ben mérve), amely az adott puffer p. H értékét 1 egységgel változtatja meg. A pufferkapacitás értéke függ: – a puffer összkoncentrációjától: minél nagyobb a koncentráció, annál nagyobb a kapacitás – a koncentrációviszonyoktól: a sav illetve bázis és a sókoncentrációk minél közelebb vannak egymáshoz, annál nagyobb a pufferkapacitás. A legkedvezőbb, ha a koncentrációk hányadosa éppen 1. TÁMOP 4. 1. 2. B. 2 -13/1 -2013 -0007 „ORSZÁGOS KOORDINÁCIÓVAL A PEDAGÓGUSKÉPZÉS MEGÚJÍTÁSÁÉRT”

A PUFFEREK ALKALMAZÁSA Kémia: Számos ipari folyamat, analitikai vizsgálat (pl. fermentáció, komplexometria) helyes vezetése is szükségessé teszi a p. H szabályozását, közel állandó értéken tartását. Biológia: Számos biokémiai folyamat csak akkor megy végbe, ha a rendszer p. H-ja a reakció számára kedvező, jellemző értéken van. Ha megváltozik a p. H, akkor a biokémiai reakció megáll, a mikroorganizmusok elpusztulnak stb. TÁMOP 4. 1. 2. B. 2 -13/1 -2013 -0007 „ORSZÁGOS KOORDINÁCIÓVAL A PEDAGÓGUSKÉPZÉS MEGÚJÍTÁSÁÉRT”

KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!