Echilibre chimice – aplicaţie

Am vorbit data trecută despre faptul că o reacție chimică nu merge întotdeauna numai în sensul formării produșilor.

În foarte multe cazuri, pe lângă această reacție directă, există și o reacție inversă, adică o parte din produșii abia formați se și descompun înapoi în reactant.

În momentul în care produșii se formează cu aceeași viteză cu care se și descompun, adică viteza reacției directe este egală cu viteza reacției inverse

și pe lângă asta concentrațiile substanțelor implicate în reacție se stabilizează la valori bine determinate, spunem că reacția respectivă a atins starea de echilibru chimic.

Echilibru chimic poate fi studiat din punct de vedere cantitativ folosindu-ne de legea acțiunii maselor și de k-a constanta de echilibru.

Legea acțiunii maselor arată că, pentru o reacție de forma acestea, concentrațiile la echilibru satisfac această relație, unde k-a este constanta de echilibru,

literele mici a, b, c și d sunt coeficienții stoichiometrici ai reacției, iar literele mari a, b, c și d între paranteze pătrate reprezintă concentrațiile molare ale substanțelor exprimate în mol pe litru.

Pentru a maximiza cantitatea de substanță obținută dintr-un proces chimic, chimiștii variază temperatura, presiunea sau concentrațiile anumitor substanțe care participă la reacție.

Haideți să vedem cum determină chimiștii cât dintr-o anume substanță e prezentă la echilibru sau câtă substanță mai trebuie să adauge sau cu cât să crească temperatura sau cu cât să mișoreze presiunea,

pentru a ajunge la productivitate maximă, adică pentru a ajunge la rezultatele dorite de industrie și nu la echilibrul pe care și-l doresc reacțiile, echilibru care pe noi, ca și consumatori, nu ne preajută.

E bine chimiștii să folosesc de matematică pentru a afla răspunsurile la aceste întrebări.

Dacă nu ați înțeles de ce a trebuit să învățați ecuațiile de gradul 2 la matematică, veți vedea imediat la ce le mai putem folosi.

Unele constante de echilibru pentru condiții specifice de lucru sunt deja calculate și tabelate în cărți de specialitate.

Să zicem că suntem într-un laborator și cunoaștem și ce cantități de substanță avem disponibile pentru o anume reacție.

Tot ce mai trebuie să aflăm este cantitatea exactă de substanță prezentă la echilibru.

Apoi, dacă este cazul, vom varia parametrii care influențează reacția pentru a ajunge la un rezultat dorit de noi.

Acest tip de calcul este foarte ușor dacă folosim un tabel pe care eu l-am denumit RIME ca să fie mai ușor de reținut.

Deci avem tabelul RIME unde R vine de la ecuația reacției, I vine de la concentrația inițială, M de la modificarea concentrației, iar E vine de la concentrația la echilibru.

Trebuie să aflăm care este compoziția la echilibru pentru reacția dintre hidrogen și iod dacă știm că are o constantă de echilibru de 794 la temperatura de 25 grade Celsius.

25 grade Celsius adică 298 grade Kelvin.

Deci, pe rândul R, vom scrie ecuația reacției.

Pe rândul I, scriem concentrațiile inițiale.

Întotdeauna, pe acest rând, vor exista și valori de 0 molar, deoarece până cât începe reacția, nu avem cum să cunoaștem toate concentrațiile.

Există cazuri când știm concentrația inițială a produsului și nu cunoaștem concentrațiile inițiale ale elementelor în care produsul se va descompune pentru că, logic, descompunerea nu a început încă.

Sau există cazuri în care cunoaștem inițial numai concentrațiile reactanților.

În cazul nostru, ni se spune că într-un vas de 4 litri, deci avem volumul egal cu 4 litri, se introduc 4 mol de hidrogen și 8 mol de iod.

Asta înseamnă că putem afla concentrațiile molare inițiale ale reactanților, iar concentrația inițială a produsului va fi 0 molar pentru că încă nu s-a format niciun mol de acid iod hidric.

Concentrația molară este egală cu numărul de moli supra volum, deci concentrația molară a hidrogenului va fi de 4 mol supra 4 litri, adică egală cu 1 mol pe litru, iar concentrația molară a iodului este de 8 mol supra 4 litri, deci este egală cu 2 mol pe litru.

Și vom completa aceste valori pe linia I a tabelului.

Pe linia M vom urmări cât din substanță se va modifica în timpul reacției.

Cel mai des nu avem de unde să știm acest lucru până când nu facem calculele, așa că vom nota acea valoare cu X acolo unde nu cunoaștem cantitățile.

Într-o reacție, reactanții se consumă, deci numărul de mol de reactanți se modifică cu minus X.

X reprezintă cantitatea de reactanți care se consumă pentru a forma acid iod hidric în condițiile date de temperatură și presiune.

Vedem că, conform ecuației reacției, un mol de hidrogen și un mol de iod se combină pentru a forma 2 mol de acid iod hidric.

Deci putem spune că hidrogenul și iodul vor pierde fiecare câte X mol pe litru și în timp ce concentrațiile de hidrogen și iod scad, concentrația de acid iod hidric se mărește.

Deci vom nota că se mărește cu 2X mol pe litru. Așadar, aici va fi plus 2X.

Pe linia E trecem rezultatul final, adică ce cantitate anume din fiecare substanță va fi prezentă la echilibru.

Deoarece cantitatea finală este pur și simplu cantitatea inițială plus cantitatea care s-a modificat în timpul reacției, această linie reprezintă suma dintre linia I și linia N.

Deci în cazul hidrogenului vom avea 1 minus X, în cazul iodului vom avea 2 minus X, iar în cazul acidului iod hidric vom avea 0 plus 2X, adică 2X.

Și știm că toate valorile sunt exprimate în mol pe litru, deci reprezintă concentrații molare.

Acum vom aplica aceste valori la formula pentru constanta de echilibru.

Iar relația constantă de echilibru pentru reacția noastră este aceasta.

Constanta de echilibru este egală cu concentrație acidului iod hidric la puterea a doua, supra concentrația hidrogenului înmulțită cu concentrația iodului.

Pentru această reacție, la temperatura de 298 K, K este egal cu 794.

Acum vom înlăcui în această reacție valorile concentrațiilor pe care le-am obținut noi la echilibru.

Deci 794 este egal cu 2X la puterea a doua, supra 1-X ori 2-X.

Și efectuând niște calcule simple, ajungem la această relație pe care o recunoaștem ca fiind o ecuație de gradul 2, deci pe care o vom rezolva ca atare.

Și ca în cazul oricărui ecuație de gradul 2, obținem două valori pentru X și anume X egal cu 0.995 și X egal cu 2.02.

Să ne reamintim că pentru noi aceste valori reprezintă concentrații molare, deci vorbim despre 0.995 mol pe litru sau despre 2.02 mol pe litru.

Iar în cazul nostru, numai o valoare este corectă. Dacă ne uităm la valorile inițiale ale concentrațiilor, ne dăm seama că e imposibil ca X să fie 2.02 mol, având în vedere că X reprezintă cantitatea care s-a pierdut din numărul de mol inițial.

Deci nici hidrogenul, nici iodul nu aveau cum să piardă 2.02 mol pentru că s-a început cu mai puțin de atât. Așadar, valoarea pe care o căutăm este X egal cu 0.995 mol pe litru.

Acum putem calcula compoziția la echilibru pentru fiecare substanță. Deci la echilibru, în condițiile specificate, cantitatea de acid iod hidric este 2 ori 0.995, adică este 1.99 mol pe litru.

Concentrația de hidrogen este 1-0.995, adică este 0.05 mol pe litru. Iar concentrația de iod este 2-0.995, adică este 1.005 mol pe litru.

După cum vom vedea în lecția viitoare, aceste valori pot fi modificate. De exemplu, pentru a maximiza producția de acid iod hidric, putem schimba temperatura sau presiunea sau chiar concentrațiile substanțelor care participă la reacție.

În cazul acidului iod hidric, creșterea temperaturii ar duce la favorizarea reacției inverse, adică a reacției de descompunere în hidrogen și iod. Și știu asta deoarece, pe măsură ce creștem temperatura, valoarea constantei de echilibru se micșorează.

Am văzut că pentru 298 K, constanta este egală cu 794 K. La 700 K, constanta de echilibru are o valoare de 54 K, iar la 1000 K, constanta de echilibru este egală cu 29.1 K.

Astfel, ne dăm seama că, pe măsură ce creștem temperatura, x, adică valoarea cu care se modifică concentrația substanțelor, scade.

Spre exemplu, am făcut și calculul pentru temperatura de 1000 K, când constanta de echilibru este egală cu 29.1, tot pentru o situație în care avem 1 mol pe litru de hidrogen și 2 mol pe litru de iod, iar valoarea lui x în aceste condiții este 0.89 spre diferență de 0.995,

cât ne-a dat când am făcut calculul pentru temperatura de 298 K.

De aici, trăgem concluzia că formarea de acid iod hidric este favorizată la temperaturi mai joase.

Așadar, cunoașterea valorii constantei de echilibru permite să se prevadă sensul în care se produce reacția chimică.

Și există 3 cazuri principale.

Când constanta e mai mare decât 1, înseamnă că sistemul e deplasat spre dreapta, adică e favorizată formarea produselor de reacție.

Când valoarea constantei e mai mică decât 1, sistemul e deplasat spre stânga, adică e favorizată existența reactanților și nu formarea produselor de reacție.

Iar când valoarea constantei este egală cu 1, toate speciile chimice sunt la echilibru în aceeași proporție, adică echilibrul nu e deplasat în nicio direcție.

Echilibrele chimice pentru care constanta de echilibru este cu mult mai mare decât 1, cel puțin de ordinul 10 la treia, adică 1000, pot fi considerate în practică reacții totale, adică reacții în care întreaga concentrație de reactanți este convertită în cadrul reacției chimice în produs.

Am văzut lecția aceasta cum puțină algebră ne este foarte utilă în aplicațiile practice de la chimie. Câteva calcule și putem maximiza producția unor substanțe de care avem nevoie.

În lecția viitoare vom vorbi și despre factorii care influențează echilibrul chimic, adică despre parametrii pe care trebuie să-i modificăm în funcție de ce ne zic calculele matematice.