Equilíbrio químico com o aumento da temperatura. Química. O que aprendemos

As reações químicas podem ser reversíveis ou irreversíveis.

Reações irreversíveis Estas são reações que ocorrem em apenas uma direção (direta →):

aqueles. se alguma reação A + B = C + D for irreversível, isso significa que a reação inversa C + D = A + B não ocorre.

Reações reversíveis - estas são reações que ocorrem nas direções direta e reversa (⇄):

isto é, por exemplo, se uma certa reação A + B = C + D é reversível, isso significa que tanto a reação A + B → C + D (direta) quanto a reação C + D → A + B (reversa) ocorrem simultaneamente ).

Essencialmente, porque Ocorrem reações diretas e reversas; no caso de reações reversíveis, tanto as substâncias do lado esquerdo da equação quanto as substâncias do lado direito da equação podem ser chamadas de reagentes (substâncias iniciais). O mesmo vale para produtos.

Para qualquer reação reversível, é possível uma situação em que as taxas das reações direta e inversa são iguais. Esta condição é chamada estado de equilíbrio.

No equilíbrio, as concentrações de todos os reagentes e de todos os produtos são constantes. As concentrações de produtos e reagentes em equilíbrio são chamadas concentrações de equilíbrio.

Mudança no equilíbrio químico sob a influência de vários fatores

Devido a influências externas no sistema, tais como alterações na temperatura, pressão ou concentração de substâncias ou produtos iniciais, o equilíbrio do sistema pode ser perturbado. Contudo, após a cessação desta influência externa, o sistema irá, após algum tempo, passar para um novo estado de equilíbrio. Tal transição de um sistema de um estado de equilíbrio para outro estado de equilíbrio é chamada deslocamento (mudança) do equilíbrio químico .

Para poder determinar como o equilíbrio químico se altera sob um determinado tipo de influência, é conveniente utilizar o princípio de Le Chatelier:

Se qualquer influência externa for exercida sobre um sistema em estado de equilíbrio, então a direção da mudança no equilíbrio químico coincidirá com a direção da reação que enfraquece o efeito da influência.

A influência da temperatura no estado de equilíbrio

Quando a temperatura muda, o equilíbrio de qualquer reação química muda. Isso se deve ao fato de que qualquer reação tem efeito térmico. Além disso, os efeitos térmicos das reações direta e inversa são sempre diretamente opostos. Aqueles. se a reação direta é exotérmica e prossegue com efeito térmico igual a +Q, então a reação inversa é sempre endotérmica e tem efeito térmico igual a –Q.

Assim, de acordo com o princípio de Le Chatelier, se aumentarmos a temperatura de algum sistema que está em estado de equilíbrio, então o equilíbrio se deslocará em direção à reação durante a qual a temperatura diminui, ou seja, rumo a uma reação endotérmica. E da mesma forma, se baixarmos a temperatura do sistema em estado de equilíbrio, o equilíbrio se deslocará em direção à reação, como resultado da qual a temperatura aumentará, ou seja, em direção a uma reação exotérmica.

Por exemplo, considere a seguinte reação reversível e indique onde seu equilíbrio mudará à medida que a temperatura diminui:

Como pode ser visto na equação acima, a reação direta é exotérmica, ou seja, Como resultado de sua ocorrência, o calor é liberado. Consequentemente, a reação inversa será endotérmica, ou seja, ocorre com absorção de calor. De acordo com a condição, a temperatura diminui, portanto, o equilíbrio se deslocará para a direita, ou seja, em direção à reação direta.

Efeito da concentração no equilíbrio químico

Um aumento na concentração de reagentes de acordo com o princípio de Le Chatelier deve levar a uma mudança no equilíbrio em direção à reação, como resultado da qual os reagentes são consumidos, ou seja, em direção à reação direta.

E vice-versa, se a concentração dos reagentes for reduzida, então o equilíbrio mudará para a reação como resultado da formação dos reagentes, ou seja, lado da reação inversa (←).

Uma mudança na concentração dos produtos da reação também tem um efeito semelhante. Se a concentração dos produtos aumentar, o equilíbrio mudará para a reação em que os produtos são consumidos, ou seja, em direção à reação inversa (←). Se, pelo contrário, a concentração dos produtos for reduzida, então o equilíbrio se deslocará para a reação direta (→), de modo que a concentração dos produtos aumenta.

Efeito da pressão no equilíbrio químico

Ao contrário da temperatura e da concentração, as mudanças na pressão não afetam o estado de equilíbrio de cada reação. Para que uma mudança na pressão leve a uma mudança no equilíbrio químico, as somas dos coeficientes das substâncias gasosas nos lados esquerdo e direito da equação devem ser diferentes.

Aqueles. de duas reações:

uma mudança na pressão pode afetar o estado de equilíbrio apenas no caso da segunda reação. Como a soma dos coeficientes na frente das fórmulas das substâncias gasosas no caso da primeira equação à esquerda e à direita é a mesma (igual a 2), e no caso da segunda equação é diferente (4 na esquerda e 2 à direita).

A partir daqui, em particular, segue-se que se não houver substâncias gasosas entre os reagentes e os produtos, então uma mudança na pressão não afetará de forma alguma o estado atual de equilíbrio. Por exemplo, a pressão não afetará o estado de equilíbrio da reação:

Se, à esquerda e à direita, a quantidade de substâncias gasosas for diferente, então um aumento na pressão levará a uma mudança no equilíbrio em direção à reação durante a qual o volume dos gases diminui, e uma diminuição na pressão levará a uma mudança no equilíbrio, como resultado do qual o volume dos gases aumenta.

Efeito de um catalisador no equilíbrio químico

Como um catalisador acelera igualmente as reações direta e reversa, sua presença ou ausência não tem efeito para um estado de equilíbrio.

A única coisa que um catalisador pode afetar é a taxa de transição do sistema de um estado de não-equilíbrio para um estado de equilíbrio.

O impacto de todos os fatores acima no equilíbrio químico está resumido abaixo em uma folha de dicas, que você pode observar inicialmente ao realizar tarefas de equilíbrio. Porém, não será possível utilizá-lo no exame, portanto, após analisar vários exemplos com sua ajuda, você deverá aprendê-lo e praticar a resolução de problemas de equilíbrio sem olhar para ele:

Designações: T - temperatura, p - pressão, Com – concentração, – aumentar, ↓ – diminuir

Catalisador

T	T - o equilíbrio muda para a reação endotérmica
T	↓T - o equilíbrio muda para a reação exotérmica
p	p - o equilíbrio muda em direção a uma reação com menor soma de coeficientes na frente de substâncias gasosas
p	↓p - o equilíbrio muda para uma reação com maior soma de coeficientes na frente de substâncias gasosas
c	c (reagente) – o equilíbrio muda para a reação direta (para a direita)
	↓c (reagente) – o equilíbrio se desloca para a reação inversa (para a esquerda)
	c (produto) – o equilíbrio se desloca para a reação inversa (para a esquerda)
	↓c (produto) – o equilíbrio se desloca em direção à reação direta (para a direita)
Não afeta o equilíbrio!!!

O estado de equilíbrio químico é perturbado por várias influências externas no sistema: aquecimento e resfriamento, mudanças de pressão, adição e remoção de substâncias individuais ou solventes. Como resultado, a igualdade das taxas de reações diretas e reversas é violada e ocorre uma certa mudança no estado do sistema.

Uma mudança no equilíbrio químico é um processo que ocorre em um sistema de equilíbrio como resultado de uma influência externa.

Uma mudança no equilíbrio leva ao estabelecimento de um novo estado de equilíbrio no sistema, caracterizado por alterações nas concentrações de substâncias.

Exemplo 10.6. Em que direção o equilíbrio da reação mudará quando o oxigênio for adicionado?

Solução. Quando o oxigênio é adicionado, sua concentração aumenta e, portanto, a velocidade na direção direta. O equilíbrio se deslocará para a direita. Isto aumenta a proporção de conversão de S0 2 em S0 3.

O deslocamento do equilíbrio sob qualquer influência obedece ao princípio de Le Chatelier (1884).

Uma influência externa sobre um sistema em estado de equilíbrio provoca um processo que leva a uma diminuição no resultado da influência.

Ao decidir uma questão específica sobre a direção da mudança de equilíbrio, deve-se compreender claramente a essência do efeito produzido e seu resultado. Por exemplo, uma alteração na concentração não pode ser considerada como um efeito no sistema. As substâncias podem ser introduzidas ou removidas do sistema (efeitos do ego), resultando em uma mudança nas concentrações. A aplicação do princípio de Le Chatelier à reação praticamente importante para a produção de amônia é mostrada na tabela. 10.1. As duas primeiras colunas indicam o impacto no sistema e o resultado do impacto. As setas T e >1 indicam aumento ou diminuição na característica correspondente. A coluna “Resposta do Sistema” indica alterações opostas ao efeito do impacto. Essas mudanças estão associadas à ocorrência de uma reação direta ou reversa no sistema. Algumas dificuldades surgem na compreensão da influência da pressão no estado de equilíbrio. A pressão de uma mistura gasosa, de acordo com a equação do estado gasoso, depende da temperatura e do volume para uma determinada quantidade de substância, mas um sistema como tal, tendo um certo volume e temperatura, pode responder às mudanças na pressão apenas alterando o quantidade total de substância como resultado da reação. Segue-se um corolário do princípio de Le Chatelier: com o aumento da pressão, o equilíbrio muda no sentido de diminuir a soma dos coeficientes estequiométricos para substâncias no estado gasoso.

Tabela 10.1

Aplicação do princípio de Le Chatelier usando o exemplo da reação N2 + 3Н2 2NH3, ArH° =-92kJ/mol

Nas reações heterogêneas reversíveis, uma mudança no equilíbrio está associada a mudanças nas concentrações de substâncias gasosas e dissolvidas. Uma mudança na massa de um sólido não afeta a posição de equilíbrio do sistema.

A mudança do equilíbrio químico é amplamente utilizada na realização de reações em laboratórios e em processos tecnológicos. Neste caso, não se trata de alcançar o equilíbrio, mas sim de mudá-lo um a um. O processo é planejado desde o início para que o equilíbrio estabelecido seja ótimo do ponto de vista de economia dos reagentes mais valiosos. Os custos de produção diminuem à medida que o rendimento do produto aumenta. Depende das condições de temperatura e pressão. Usando o exemplo da reação de produção de amônia, é mostrado o princípio da abordagem para a escolha das condições do processo (os sinais “+” e “-” simbolizam a natureza desejada ou indesejável da influência no resultado final).

Dos dados apresentados conclui-se que na produção de amônia é desejável utilizar alta pressão e encontrar os catalisadores mais ativos. A temperatura tem um efeito positivo do ponto de vista tecnológico e económico na taxa de reacção e um efeito negativo no rendimento de amoníaco. Portanto, é necessário escolher a temperatura ideal, que acabe garantindo o custo mínimo de produção do produto.

O equilíbrio químico é inerente reversível reações e não é típico de irreversível reações químicas.

Freqüentemente, durante um processo químico, os reagentes iniciais são completamente convertidos em produtos de reação. Por exemplo:

Cu + 4HNO 3 = Cu(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

É impossível obter cobre metálico realizando a reação no sentido oposto, porque dado a reação é irreversível. Nesses processos, os reagentes são completamente convertidos em produtos, ou seja, a reação prossegue até a conclusão.

Mas a maior parte das reações químicas reversível, ou seja é provável que a reação ocorra em paralelo nas direções direta e reversa. Em outras palavras, os reagentes são apenas parcialmente convertidos em produtos e o sistema de reação consistirá tanto de reagentes quanto de produtos. O sistema neste caso está no estado equilíbrio químico.

Nos processos reversíveis, inicialmente a reação direta tem velocidade máxima, que diminui gradativamente devido à diminuição da quantidade de reagentes. A reação inversa, ao contrário, tem inicialmente uma velocidade mínima, que aumenta à medida que os produtos se acumulam. Eventualmente, chega um momento em que as taxas de ambas as reações se tornam iguais – o sistema atinge um estado de equilíbrio. Quando ocorre um estado de equilíbrio, as concentrações dos componentes permanecem inalteradas, mas a reação química não para. Que. – este é um estado dinâmico (em movimento). Para maior clareza, aqui está a seguinte figura:

Digamos que há um certo reação química reversível:

uma A + b B = c C + d D

então, com base na lei da ação das massas, escrevemos expressões para diretoυ 1 e reverterυ 2 reações:

v1 = k 1 ·[A] a ·[B] b

v2 = k 2 ·[C] c ·[D] d

Capaz equilíbrio químico, as taxas de reações diretas e reversas são iguais, ou seja:

k 1 ·[A] a ·[B] b = k 2 ·[C] c ·[D] d

Nós temos

PARA= k 1 / k 2 = [C] c [D] d ̸ [A] a [B] b

Onde K =k 1 / k 2 – constante de equilíbrio.

Para qualquer processo reversível, sob determinadas condições ké um valor constante. Não depende das concentrações das substâncias, pois Quando a quantidade de uma das substâncias muda, as quantidades dos outros componentes também mudam.

Quando as condições de um processo químico mudam, o equilíbrio pode mudar.

Fatores que influenciam a mudança no equilíbrio:

mudanças nas concentrações de reagentes ou produtos,
mudança de pressão,
mudança de temperatura,
adicionar um catalisador ao meio de reação.

Princípio de Le Chatelier

Todos os fatores acima influenciam a mudança no equilíbrio químico, que obedece Princípio de Le Chatelier: Se você alterar uma das condições sob as quais o sistema está em estado de equilíbrio - concentração, pressão ou temperatura - então o equilíbrio mudará na direção da reação que neutraliza essa mudança. Aqueles. o equilíbrio tende a mudar em uma direção que leva a uma diminuição na influência da influência que levou a uma violação do estado de equilíbrio.

Então, consideremos separadamente a influência de cada um dos seus fatores no estado de equilíbrio.

Influência mudanças nas concentrações de reagentes ou produtos vamos mostrar com um exemplo Processo Haber:

N2(g) + 3H2(g) = 2NH3(g)

Se, por exemplo, nitrogênio for adicionado a um sistema de equilíbrio que consiste em N 2 (g), H 2 (g) e NH 3 (g), então o equilíbrio deve mudar em uma direção que contribuiria para uma diminuição na quantidade de hidrogênio em direção ao seu valor original, Essa. na direção da formação de amônia adicional (à direita). Ao mesmo tempo, a quantidade de hidrogênio diminuirá. Quando o hidrogênio é adicionado ao sistema, o equilíbrio também se deslocará no sentido da formação de uma nova quantidade de amônia (para a direita). Considerando que a introdução de amônia no sistema de equilíbrio, de acordo com Princípio de Le Chatelier , causará uma mudança no equilíbrio em direção ao processo favorável à formação de substâncias iniciais (para a esquerda), ou seja, A concentração de amônia deve diminuir através da decomposição de parte dela em nitrogênio e hidrogênio.

Uma diminuição na concentração de um dos componentes deslocará o estado de equilíbrio do sistema para a formação deste componente.

Influência mudanças de pressão faz sentido se componentes gasosos participam do processo em estudo e há uma mudança no número total de moléculas. Se o número total de moléculas no sistema permanecer permanente, então a mudança na pressão não afeta em seu saldo, por exemplo:

I 2(g) + H 2(g) = 2HI (g)

Se a pressão total de um sistema em equilíbrio aumentar pela diminuição de seu volume, então o equilíbrio mudará para uma diminuição do volume. Aqueles. para diminuir o número gás no sistema. Em reação:

N2(g) + 3H2(g) = 2NH3(g)

a partir de 4 moléculas de gás (1 N 2 (g) e 3 H 2 (g)) 2 moléculas de gás são formadas (2 NH 3 (g)), ou seja, a pressão no sistema diminui. Como resultado, um aumento na pressão contribuirá para a formação de uma quantidade adicional de amônia, ou seja, o equilíbrio se deslocará em direção à sua formação (para a direita).

Se a temperatura do sistema for constante, então uma mudança na pressão total do sistema não levará a uma mudança na constante de equilíbrio PARA.

Mudança de temperatura sistema afeta não apenas o deslocamento de seu equilíbrio, mas também a constante de equilíbrio PARA. Se calor adicional for transmitido a um sistema em equilíbrio a pressão constante, então o equilíbrio mudará no sentido da absorção de calor. Considerar:

N 2(g) + 3H 2(g) = 2NH 3(g) + 22 kcal

Então, como você pode ver, a reação direta prossegue com a liberação de calor, e a reação inversa com absorção. À medida que a temperatura aumenta, o equilíbrio desta reação muda em direção à reação de decomposição da amônia (para a esquerda), porque aparece e enfraquece a influência externa - um aumento na temperatura. Pelo contrário, o resfriamento leva a uma mudança no equilíbrio na direção da síntese de amônia (para a direita), porque a reação é exotérmica e resiste ao resfriamento.

Assim, um aumento na temperatura favorece uma mudança equilíbrio químico em direção à reação endotérmica, e a queda de temperatura em direção ao processo exotérmico . Constantes de equilíbrio todos os processos exotérmicos diminuem com o aumento da temperatura e os processos endotérmicos aumentam.

Artigo principal: Princípio Le Châtelier-Brown

A posição do equilíbrio químico depende dos seguintes parâmetros de reação: temperatura, pressão e concentração. A influência que estes factores têm numa reacção química está sujeita a um padrão que foi expresso em termos gerais em 1885 pelo cientista francês Le Chatelier.

Fatores que influenciam o equilíbrio químico:

1) temperatura

À medida que a temperatura aumenta, o equilíbrio químico muda para a reação endotérmica (absorção) e, quando diminui, para a reação exotérmica (liberação).

CaCO 3 =CaO+CO 2 -Q t →, t↓ ←

N 2 +3H 2 ↔2NH 3 +Q t ←, t↓ →

2) pressão

À medida que a pressão aumenta, o equilíbrio químico muda para um volume menor de substâncias e à medida que a pressão diminui para um volume maior. Este princípio só se aplica a gases, ou seja, Se sólidos estiverem envolvidos na reação, eles não serão levados em consideração.

CaCO 3 =CaO+CO 2 P ←, P ↓ →

1mol=1mol+1mol

3) concentração de substâncias iniciais e produtos de reação

Com o aumento da concentração de uma das substâncias iniciais, o equilíbrio químico desloca-se para os produtos da reação, e com o aumento da concentração dos produtos da reação, para as substâncias iniciais.

S 2 +2O 2 =2SO 2 [S],[O] →, ←

Os catalisadores não afetam a mudança do equilíbrio químico!

Características quantitativas básicas do equilíbrio químico: constante de equilíbrio químico, grau de conversão, grau de dissociação, rendimento de equilíbrio. Explique o significado dessas quantidades usando o exemplo de reações químicas específicas.

Na termodinâmica química, a lei da ação das massas relaciona as atividades de equilíbrio das substâncias iniciais e dos produtos da reação, de acordo com a relação:

Atividade de substâncias. Em vez de atividade, podem ser utilizadas concentração (para uma reação em uma solução ideal), pressões parciais (uma reação em uma mistura de gases ideais), fugacidade (uma reação em uma mistura de gases reais);

Coeficiente estequiométrico (negativo para substâncias iniciais, positivo para produtos);

Constante de equilíbrio químico. O subscrito “a” aqui significa o uso do valor da atividade na fórmula.

A eficiência de uma reação é geralmente avaliada calculando o rendimento do produto da reação (seção 5.11). Ao mesmo tempo, a eficiência da reação também pode ser avaliada determinando que parte da substância mais importante (geralmente a mais cara) foi convertida no produto alvo da reação, por exemplo, que parte do SO 2 foi convertida em SO 3 durante a produção de ácido sulfúrico, ou seja, encontrar grau de conversão substância original.

Deixe um breve diagrama da reação em curso

Então o grau de conversão da substância A em substância B (A) é determinado pela seguinte equação

Onde n pró-reação (A) – a quantidade de substância do reagente A que reagiu para formar o produto B, e n inicial (A) – quantidade inicial de reagente A.

Naturalmente, o grau de transformação pode ser expresso não apenas pela quantidade de uma substância, mas também por quaisquer quantidades proporcionais a ela: o número de moléculas (unidades de fórmula), massa, volume.

Se o reagente A for escasso e a perda do produto B puder ser desprezada, então o grau de conversão do reagente A é geralmente igual ao rendimento do produto B.

A exceção são as reações nas quais a substância inicial é obviamente consumida para formar vários produtos. Assim, por exemplo, na reação

Cl2 + 2KOH = KCl + KClO + H2O

o cloro (reagente) é convertido igualmente em cloreto de potássio e hipoclorito de potássio. Nesta reação, mesmo com rendimento de 100% de KClO, o grau de conversão do cloro nele é de 50%.

A quantidade que você conhece – o grau de protólise (seção 12.4) – é um caso especial do grau de conversão:

No âmbito do TED, quantidades semelhantes são chamadas grau de dissociaçãoácidos ou bases (também designados como grau de protólise). O grau de dissociação está relacionado à constante de dissociação de acordo com a lei de diluição de Ostwald.

No âmbito da mesma teoria, o equilíbrio de hidrólise é caracterizado por grau de hidrólise (h), e são utilizadas as seguintes expressões que o relacionam com a concentração inicial da substância ( Com) e constantes de dissociação de ácidos fracos (K HA) e bases fracas formadas durante a hidrólise ( K MOH):

A primeira expressão é válida para a hidrólise de um sal de um ácido fraco, a segunda - sais de uma base fraca e a terceira - sais de um ácido fraco e uma base fraca. Todas essas expressões só podem ser utilizadas para soluções diluídas com grau de hidrólise não superior a 0,05 (5%).

Normalmente, o rendimento de equilíbrio é determinado por uma constante de equilíbrio conhecida, com a qual está relacionado em cada caso específico por uma determinada razão.

O rendimento do produto pode ser alterado alterando o equilíbrio da reação em processos reversíveis, sob a influência de fatores como temperatura, pressão, concentração.

De acordo com o princípio de Le Chatelier, o grau de conversão de equilíbrio aumenta com o aumento da pressão durante reações simples e, em outros casos, o volume da mistura reacional não muda e o rendimento do produto não depende da pressão.

O efeito da temperatura no rendimento de equilíbrio, bem como na constante de equilíbrio, é determinado pelo sinal do efeito térmico da reação.

Para uma avaliação mais completa dos processos reversíveis, utiliza-se o chamado rendimento do teórico (rendimento do equilíbrio), igual à razão entre o produto efetivamente obtido e a quantidade que seria obtida em estado de equilíbrio.

DISSOCIAÇÃO TÉRMICA química

uma reação de decomposição reversível de uma substância causada por um aumento na temperatura.

Com Etc., várias (2H2H+ OCaO + CO) ou uma substância mais simples são formadas a partir de uma substância

O equilíbrio etc. é estabelecido de acordo com a lei da ação de massa. Isto

pode ser caracterizado por uma constante de equilíbrio ou pelo grau de dissociação

(a razão entre o número de moléculas decaídas e o número total de moléculas). EM

Na maioria dos casos, etc. é acompanhado pela absorção de calor (aumento

entalpia

DN>0); portanto, de acordo com o princípio Le Chatelier-Brown

o aquecimento aumenta, o grau de deslocamento, etc. com a temperatura é determinado

valor absoluto de DN. A pressão interfere etc., quanto mais forte, maior

mudança (aumento) no número de moles (Di) de substâncias gasosas

o grau de dissociação não depende da pressão. Se os sólidos não forem

formam soluções sólidas e não estão em um estado altamente disperso,

então a pressão, etc., é determinada exclusivamente pela temperatura. Para implementar T.

d. sólidos (óxidos, hidratos cristalinos, etc.)

É importante saber

temperatura na qual a pressão de dissociação se torna igual à externa (em particular,

pressão atmosférica. Como o gás liberado pode superar

pressão ambiente, então ao atingir esta temperatura o processo de decomposição

imediatamente se intensifica.

Dependência do grau de dissociação da temperatura: o grau de dissociação aumenta com o aumento da temperatura (o aumento da temperatura leva a um aumento na energia cinética das partículas dissolvidas, o que promove a desintegração das moléculas em íons)

O grau de conversão das substâncias iniciais e o rendimento de equilíbrio do produto. Métodos para seu cálculo a uma determinada temperatura. Quais dados são necessários para isso? Dê um esquema para calcular qualquer uma dessas características quantitativas do equilíbrio químico usando um exemplo arbitrário.

O grau de conversão é a quantidade de reagente reagido dividida pela sua quantidade original. Para a reação mais simples, onde é a concentração na entrada do reator ou no início do processo periódico, é a concentração na saída do reator ou o momento atual do processo periódico. Para uma resposta voluntária, por exemplo, , de acordo com a definição, a fórmula de cálculo é a mesma: . Se houver vários reagentes na reação, então o grau de conversão pode ser calculado para cada um deles, por exemplo, para a reação A dependência do grau de conversão no tempo de reação é determinada pela mudança na concentração do reagente ao longo do tempo. No momento inicial, quando nada se transformou, o grau de transformação é zero. Então, à medida que o reagente é convertido, o grau de conversão aumenta. Para uma reação irreversível, quando nada impede o consumo total do reagente, seu valor tende (Fig. 1) à unidade (100%). Figura 1 Quanto maior a taxa de consumo de reagentes, determinada pelo valor da constante de taxa, mais rápido aumenta o grau de conversão, conforme mostrado na figura. Se a reação for reversível, então à medida que a reação tende ao equilíbrio, o grau de conversão tende a um valor de equilíbrio, cujo valor depende da razão entre as constantes de velocidade das reações direta e reversa (na constante de equilíbrio) (Fig. .2). Fig. 2 Rendimento do produto alvo O rendimento do produto é a quantidade do produto alvo realmente obtida, dividida pela quantidade deste produto que teria sido obtida se todo o reagente tivesse passado para este produto (até a quantidade máxima possível de o produto resultante). Ou (através do reagente): a quantidade de reagente efetivamente convertida no produto alvo, dividida pela quantidade inicial do reagente. Para a reação mais simples, o rendimento é , e tendo em mente que para esta reação, , ou seja Para a reação mais simples, o rendimento e o grau de conversão têm o mesmo valor. Se a transformação ocorre com alteração na quantidade de substâncias, por exemplo, então, de acordo com a definição, o coeficiente estequiométrico deve ser incluído na expressão calculada. De acordo com a primeira definição, a quantidade imaginária de produto obtida de toda a quantidade inicial do reagente será duas vezes menor que a quantidade inicial do reagente para esta reação, ou seja, e a fórmula de cálculo. De acordo com a segunda definição, a quantidade do reagente realmente transferida para o produto alvo será duas vezes maior do que este produto foi formado, ou seja, , então a fórmula de cálculo é . Naturalmente, ambas as expressões são iguais. Para uma reação mais complexa, as fórmulas de cálculo são escritas exatamente da mesma forma de acordo com a definição, mas neste caso o rendimento não é mais igual ao grau de conversão. Por exemplo, para a reação, . Se houver vários reagentes em uma reação, o rendimento poderá ser calculado para cada um deles; se também houver vários produtos alvo, então o rendimento poderá ser calculado para qualquer produto alvo para qualquer reagente. Como pode ser visto na estrutura da fórmula de cálculo (o denominador contém um valor constante), a dependência do rendimento no tempo de reação é determinada pela dependência do tempo da concentração do produto alvo. Assim, por exemplo, para a reação esta dependência se parece com a Fig. Figura 3

O grau de conversão como característica quantitativa do equilíbrio químico. Como um aumento na pressão e temperatura total afetará o grau de conversão do reagente... em uma reação em fase gasosa: ( a equação é dada)? Forneça uma justificativa para sua resposta e expressões matemáticas apropriadas.

O estado em que as taxas de reações diretas e reversas são iguais é chamado de equilíbrio químico. A equação para uma reação reversível na forma geral:

Taxa de reação direta v 1 =k 1 [A] m [B] n, velocidade de reação reversa v 2 =k 2 [C] p [D] q, onde entre colchetes estão as concentrações de equilíbrio. Por definição, em equilíbrio químico v 1 =v 2, de onde

K c =k 1 /k 2 = [C] p [D] q / [A] m [B] n,

onde Kc é a constante de equilíbrio químico, expressa em termos de concentrações molares. A expressão matemática dada é frequentemente chamada de lei da ação das massas para uma reação química reversível: a razão entre o produto das concentrações de equilíbrio dos produtos da reação e o produto das concentrações de equilíbrio das substâncias iniciais.

Se uma influência externa for exercida sobre um sistema em estado de equilíbrio, o sistema passará para outro estado de forma a reduzir o efeito da influência externa.

Fatores que influenciam o equilíbrio químico.

1. Efeito da temperatura. Em cada reação reversível, uma das direções corresponde a um processo exotérmico e a outra a um processo endotérmico.

À medida que a temperatura aumenta, o equilíbrio químico muda na direção da reação endotérmica e, à medida que a temperatura diminui, na direção da reação exotérmica.

2. Efeito da pressão. Em todas as reações envolvendo substâncias gasosas, acompanhadas por uma mudança no volume devido a uma mudança na quantidade de substância durante a transição das substâncias iniciais para os produtos, a posição de equilíbrio é influenciada pela pressão no sistema.
A influência da pressão na posição de equilíbrio obedece às seguintes regras:

À medida que a pressão aumenta, o equilíbrio se desloca para a formação de substâncias (iniciais ou produtos) de menor volume.

3. Efeito da concentração. A influência da concentração no estado de equilíbrio está sujeita às seguintes regras:

Quando a concentração de uma das substâncias iniciais aumenta, o equilíbrio muda para a formação de produtos de reação;
Quando a concentração de um dos produtos da reação aumenta, o equilíbrio muda para a formação das substâncias iniciais.

Perguntas para autocontrole:

1. Qual é a taxa de uma reação química e de quais fatores ela depende? De quais fatores a constante de taxa depende?

2. Crie uma equação para a taxa de reação de formação de água a partir do hidrogênio e do oxigênio e mostre como a taxa muda se a concentração de hidrogênio for triplicada.

3. Como a taxa de reação muda ao longo do tempo? Quais reações são chamadas de reversíveis? O que caracteriza o estado de equilíbrio químico? O que é chamado de constante de equilíbrio, de quais fatores ela depende?

4. Que influências externas podem perturbar o equilíbrio químico? Em que direção o equilíbrio se misturará quando a temperatura mudar? Pressão?

5. Como uma reação reversível pode ser deslocada em uma determinada direção e concluída?

Aula nº 12 (problemática)

Soluções

Alvo: Dê conclusões qualitativas sobre a solubilidade das substâncias e uma avaliação quantitativa da solubilidade.

Palavras-chave: Soluções – homogêneas e heterogêneas; verdadeiras e coloidais; solubilidade de substâncias; concentração de soluções; soluções de não-eletroílos; Leis de Raoult e van't Hoff.

Plano.

1. Classificação das soluções.

2. Concentração de soluções.

3. Soluções de não eletrólitos. Leis de Raoult.

Classificação de soluções

Soluções são sistemas homogêneos (monofásicos) de composição variável, constituídos por duas ou mais substâncias (componentes).

De acordo com a natureza do seu estado de agregação, as soluções podem ser gasosas, líquidas e sólidas. Normalmente, um componente que, sob determinadas condições, está no mesmo estado de agregação que a solução resultante é considerado um solvente, enquanto os restantes componentes da solução são considerados solutos. No caso do mesmo estado de agregação dos componentes, o solvente é considerado o componente que predomina na solução.

Dependendo do tamanho das partículas, as soluções são divididas em verdadeiras e coloidais. Em soluções verdadeiras (muitas vezes chamadas simplesmente de soluções), o soluto é disperso ao nível atômico ou molecular, as partículas do soluto não são visíveis nem visualmente nem ao microscópio e movem-se livremente no ambiente do solvente. As verdadeiras soluções são sistemas termodinamicamente estáveis que são indefinidamente estáveis no tempo.

As forças motrizes para a formação de soluções são os fatores de entropia e entalpia. Quando gases são dissolvidos em um líquido, a entropia sempre diminui ΔS< 0, а при растворении кристаллов возрастает (ΔS >0). Quanto mais forte for a interação entre o soluto e o solvente, maior será o papel do fator entalpia na formação das soluções. O sinal da mudança na entalpia de dissolução é determinado pelo sinal da soma de todos os efeitos térmicos dos processos que acompanham a dissolução, dos quais a principal contribuição é feita pela destruição da rede cristalina em íons livres (ΔH > 0) e a interação dos íons resultantes com moléculas de solvente (soltivação, ΔH< 0). При этом независимо от знака энтальпии при растворении (абсолютно нерастворимых веществ нет) всегда ΔG = ΔH – T·ΔS < 0, т. к. переход вещества в раствор сопровождается значительным возрастанием энтропии вследствие стремления системы к разупорядочиванию. Для жидких растворов (расплавов) процесс растворения идет самопроизвольно (ΔG < 0) до установления динамического равновесия между раствором и твердой фазой.

A concentração de uma solução saturada é determinada pela solubilidade da substância a uma determinada temperatura. Soluções com concentrações mais baixas são chamadas de insaturadas.

A solubilidade de várias substâncias varia amplamente e depende da sua natureza, da interação das partículas do soluto entre si e com as moléculas do solvente, bem como das condições externas (pressão, temperatura, etc.)

Na prática química, as soluções mais importantes são aquelas preparadas à base de solvente líquido. As misturas líquidas em química são simplesmente chamadas de soluções. O solvente inorgânico mais utilizado é a água. Soluções com outros solventes são chamadas de não aquosas.

As soluções são de extrema importância prática; nelas ocorrem muitas reações químicas, incluindo aquelas subjacentes ao metabolismo dos organismos vivos.

Concentração de soluções

Uma característica importante das soluções é a sua concentração, que expressa a quantidade relativa de componentes na solução. Existem concentrações de massa e volume, dimensionais e adimensionais.

PARA adimensional concentrações (ações) incluem as seguintes concentrações:

Fração de massa de soluto C(B) expresso como fração de uma unidade ou como porcentagem:

onde m(B) e m(A) são a massa do soluto B e a massa do solvente A.

A fração volumétrica do soluto σ(B) é expressa em frações de uma unidade ou porcentagem de volume:

onde Vi é o volume do componente da solução, V(B) é o volume da substância dissolvida B. As porcentagens de volume são chamadas de graus *).

*) Às vezes, a concentração volumétrica é expressa em partes por mil (ppm, ‰) ou em partes por milhão (ppm), ppm.

A fração molar da substância dissolvida χ(B) é expressa pela relação

A soma das frações molares dos k componentes da solução χ i é igual à unidade

PARA dimensional as concentrações incluem as seguintes concentrações:

A molalidade do soluto C m (B) é determinada pela quantidade de substância n (B) em 1 kg (1000 g) de solvente, a dimensão é mol/kg.

Concentração molar da substância B em solução C(B) – conteúdo da quantidade de substância dissolvida B por unidade de volume de solução, mol/m3, ou mais frequentemente mol/litro:

onde μ(B) é a massa molar de B, V é o volume da solução.

Concentração molar de equivalentes da substância B C E (B) (normalidade - desatualizado) é determinado pelo número de equivalentes de uma substância dissolvida por unidade de volume de solução, mol/litro:

onde n E (B) é a quantidade de equivalentes de substâncias, μ E é a massa molar do equivalente.

Título da solução da substância B( T B) é determinado pela massa do soluto em g contida em 1 ml de solução:

G/ml ou g/ml.

As concentrações de massa (fração de massa, porcentagem, molar) não dependem da temperatura; as concentrações volumétricas referem-se a uma temperatura específica.

Todas as substâncias são capazes de se dissolver em um grau ou de outro e são caracterizadas pela solubilidade. Algumas substâncias são ilimitadamente solúveis umas nas outras (água-acetona, benzeno-tolueno, sódio-potássio líquido). A maioria dos compostos são moderadamente solúveis (água-benzeno, água-álcool butílico, sal de mesa), e muitos são ligeiramente solúveis ou praticamente insolúveis (água-BaSO 4, água-gasolina).

A solubilidade de uma substância sob determinadas condições é a sua concentração numa solução saturada. Em tal solução, o equilíbrio é alcançado entre o soluto e a solução. Na ausência de equilíbrio, uma solução permanece estável se a concentração do soluto for inferior à sua solubilidade (solução insaturada), ou instável se a solução contiver um soluto superior à sua solubilidade (solução supersaturada).