Teorinė medžiaga su pavyzdžiais

4.2.2. Cheminė pusiausvyra ir jos konstanta

Esant grįžtamajai reakcijai ir pusiausvyros būklei, medžiagų koncentracijos nebekinta, nes kiek pradinių medžiagų sureaguoja, tiek jų susidaro vykstant atgalinei reakcijai. Medžiagų koncentracijos, esant pusiausvyros būklei, vadinamos pusiausvyrosiomis koncentracijomis. Užrašome grįžtamąją reakciją schemiškai:

mA + nB    sC + pD

Laikome, kad sistema yra homogeninė. Tuomet tiesioginės ir grįžtamosios reakcijų greičiai bus: tiesioginei reakcijai v_ties. = k₁[A]^m[B]ⁿ, o atvirkštinei reakcijai v_atv. = k₂[C]^s[D]^p. Vykstant reakcijai A ir B medžiagų koncentracijos mažėja, o tai reiškia, kad tiesioginės reakcijos greitis taip pat mažėja. Kartu didėja susidarančių medžiagų koncentracijos, o tuo pačiu ir nuo jų priklausantis atvirkštinės reakcijos greitis. Tam tikru momentu abiejų reakcijų greičiai tampa lygūs, t.y. v_ties. = v_atv.

Cheminio proceso būklė, kai tiesioginės ir atvirkštinės reakcijų greičiai yra lygūs (2 pav.), o reaguojančių medžiagų ir produktų koncentracijos nesikeičia (3 pav.) vadinama chemine pusiausvyra.

3 pav. Tiesioginės ir  atvirkštinės  reakcijų  greičių  priklausomybė nuo grįžtamosios reakcijos N₂O₄(d) 2NO₂(d) trukmės

4 pav. Reaguojančiosios medžiagos ir produkto koncentracijų priklausomybė grižtamosios reakcijos N₂O₄(d) 2NO₂(d) trukmės

Taigi, jei v_ties. = v_atv., tai atitinkamai k₁[A]^m[B]ⁿ = k₂[C]^s[D]^p.

Padaliję ši reiškinį iš k₂[A]^m[B]ⁿ gauname:

čia K yra cheminės pusiausvyros konstanta, kai medžiagų koncentracijos išreikštos moliais. Ji reiškiama dviejų pastovių dydžių k₁/k₂, arba reakcijos produktų pusiausvyrųjų koncentracijų ir pradinių medžiagų pusiausvyrųjų koncentracijų sandaugų santykiu. Kuo K yra didesnė, tuo didesnės reakcijos produktų koncentracijos pusiausvyros metu. Pusiausvyros konstanta priklauso nuo reaguojančių medžiagų savybių ir temperatūros, todėl nustatant konstantą reikia nurodyti kokiai temperatūrai ji yra nustatyta.

Pavyzdys

Apskaičiuokite reakcijos

2CO(d) + O₂(d)  2CO₂(d)

pusiausvyros konstantą ir pradines SO₂ bei O₂ koncentracijas, jei pusiausvirosios koncentracijos: [CO] = 4 mol/l, [O₂] = 2,5 mol/l, [CO₂] = 5 mol/l.

Sprendimas

 Apskaičiuojame pusiausvyros konstantą:

Norint surasti pradinę CO koncentraciją, prie pusiausvirosios jos koncentracijos reikia pridėti reakcijoje sureagavusiąją CO koncentraciją:

[CO]_prad.= [CO]_pus. + [CO]_sureag.

Iš reakcijos lygties matyti, kad iš dviejų molių CO susidarė du moliai CO₂. Atitinkamai, penkiems moliams CO₂ susidaryti turėjo sureaguoti penki moliai CO. Todėl [CO]_prad.= 4 mol/l + 5 mol/l = 9 mol/l. Reaguojant vienam deguonies moliui, susidarė du CO₂ moliai, t.y. deguonies sunaudojama dvigubai mažiau molių, negu susidaro molių CO₂, todėl [O₂]_prad.= 4 + (5 : 2) = 6,5 mol/l.