14.1: Równowaga dynamiczna

Odwracalna reakcja chemiczna reprezentuje proces chemiczny, który przebiega zarówno w kierunku do przodu (od lewej do prawej), jak i do tyłu (od prawej do lewej). Gdy szybkości reakcji do przodu i do tyłu są równe, stężenia reagentów i produktów pozostają stałe w czasie, a układ znajduje się w równowadze. Aby podkreślić odwracalny charakter reakcji, zastosowano specjalną podwójną strzałkę. Względne stężenia reagentów i produktów w układach równowagowych znacznie się różnią. Niektóre układy zawierają głównie produkty w równowadze, niektóre zawierają głównie reagenty, a inne zawierają znaczne ilości obu.

Równowaga dynamiczna w reakcjach chemicznych

Rozważmy odwracalny rozkład bezbarwnego czterotlenku diazotu z wytworzeniem brązowego dwutlenku azotu, opisany równaniem:

Gdy reakcja się rozpoczyna (czas = 0), stężenie reagenta N2O4 jest skończone, a produktu NO2 wynosi zero, więc reakcja naprzód przebiega ze skończoną szybkością, podczas gdy szybkość reakcji odwrotnej wynosi zero. W miarę upływu czasu N2O4 jest zużywany i jego stężenie spada, natomiast wytwarzany jest NO2, którego stężenie wzrasta. Malejące stężenie reagenta spowalnia szybkość reakcji do przodu, a rosnące stężenie produktu przyspiesza szybkość reakcji odwrotnej. Proces ten trwa do momentu, gdy szybkości reakcji do przodu i do tyłu zrównają się, kiedy to reakcja osiągnie równowagę. Należy podkreślić, że równowagi chemiczne są dynamiczne; reakcja w stanie równowagi nie „zatrzymała się”, ale przebiega w przód i w tył z tą samą szybkością. Zatem w stanie równowagi stężenia N2O4 i NO2 już się nie zmieniają, ponieważ szybkość tworzenia NO2 jest dokładnie równa szybkości zużycia NO2, a szybkość tworzenia N2O4 jest dokładnie równa szybkości zużycia N2O4.

Równowagi jednorodne i heterogeniczne

Równowaga jednorodna to taka, w której wszystkie reagenty i produkty (oraz wszelkie katalizatory, jeśli mają zastosowanie) znajdują się w tej samej fazie, wodnej lub gazowej, jak ilustrują następujące przykłady:

Równowaga heterogeniczna obejmuje reagenty i produkty w dwóch lub większej liczbie różnych faz, co ilustruje następujący przykład:

Odwracalna reakcja chemiczna to taka, w której konwersja reagentów w produkty i konwersja produktów z powrotem w reagenty zachodzą jednocześnie. Podwójna strzałka między reagentami a produktami oznacza jego odwracalny charakter.

Gdy szybkość tworzenia produktów lub szybkość reakcji postępowej jest równa szybkości powstawania reagentów lub szybkości reakcji odwrotnej, osiągana jest równowaga chemiczna.

Równowaga chemiczna jest w rzeczywistości procesem dynamicznym. Z zewnątrz cały system wydaje się statyczny, jednak na poziomie molekularnym jest bardzo aktywny.

Rozważ rozkład termiczny pentachlorku fosforu.

Po podgrzaniu w zamkniętym pojemniku gazowy pięciochlorek fosforu rozkłada się na mieszaninę trichlorku fosforu i chloru gazowego w reakcji odwracalnej. W miarę postępu reakcji stężenie pięciochlorku fosforu maleje, podczas gdy wzrasta trójchlorek fosforu i chlor gazowy.

W rezultacie szybkość reakcji do przodu maleje, a szybkość reakcji odwrotnej wzrasta.

W końcu szybkość reakcji do przodu i do tyłu staje się równa, a system osiąga równowagę chemiczną. W tym stanie względne stężenia pięciochlorku fosforu, trichlorku fosforu i chloru już się nie zmieniają.

Taki stan równowagi jest również nazywany równowagą dynamiczną, ponieważ zarówno reakcje do przodu, jak i do tyłu nadal zachodzą, ale w tym samym tempie. Ponieważ reagenty i produkty tworzą się w tym samym tempie, w jakim są zużywane, ich stężenia pozostają stałe, choć niekoniecznie równe.

Równowaga chemiczna jest jednorodna, jeśli wszystkie reagenty i produkty w danej odwracalnej reakcji znajdują się w tej samej fazie - gazowej lub wodnej. W równowadze heterogenicznej reagenty i produkty występują w różnych fazach.