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. v1 v idő Dinamikus egyensúlyi állapot A dinamikus egyensúlyi állapot legfontosabb jellemzői: dinamikus, mert a folyamat molekuláris szinten folyamatos mindkét irányba, külső tényezők (hőmérséklet, nyomás) az egyensúlyt megváltoztatják, az egyensúly bármelyik irányból elérhető. TÁMOP 4.1.2.B.2-13/1-2013-0007 „ORSZÁGOS KOORDINÁCIÓVAL A PEDAGÓGUSKÉPZÉS MEGÚJÍTÁSÁÉRT”

A tömeghatás törvénye Általánosságban: aA + bB + cC… kK + lL + mM +… A kémiai reakció során az egyensúlyba jutott rendszerben a keletkezett anyagok 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: N2 + 3 H2 2 NH3 2 SO2 + O2 2 SO3 Cl2 + CO COCl2 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. Kiindulási anyagmennyiség Reagált anyagmennyiség Egyensúlyi anyagmennyiség CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5 + H2O 1 mol 1 mol 0 mol 0 mol x mol x mol x mol x mol (1 - x) mol (1 - x) mol x mol x mol Egyensúlyi anyagmennyiség 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. Kiindulási anyagmennyiség Reagált anyagmennyiség Egyensúlyi anyagmennyiség CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5 + H2O 5 mol 1 mol 0 mol 0 mol x mol x mol x mol x mol (5 - x) mol (1 - x) mol x mol x mol Egyensúlyi anyagmennyiség 4,055 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 N2 + 3 H2 2 NH3 reakció exoterm, a hűtés kedvez az ammóniatermelésnek. a 2 CH4 2 C2H2 + H2 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 térfogat-növekedés 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 térfogat-csökkenés 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 N2 + 3 H2 2 NH3 reakciónak a nyomás növelése kedvez. a 2 CH4 2 C2H2 + H2 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 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 oC hőmérsékleten és 25,0 bar nyomáson 3,93 kg/m3 a sűrűsége? Az ammónia disszociációja: 2 NH3 N2 + 3 H2 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 1 gyenge elektrolit középerős elektrolit erős 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/dm3 CH3COOH H+ + CH3COO– Ks = 1,75∙10–4 mol/dm3 NH3 + H2O NH4 + OH– Kb = 1,80∙10–4 mol/dm3 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 [H3O+] = [OH–] = 10–7 mol/dm3 A pH fogalmát Søren Peter Lauritz Sørensen (1868–1939) dán biokémikus vezette be. A pH és a pOH közötti összefüggés: pH + pOH = 14 pH = 0 savasság lúgosság pH = 7 pH = 14 Megjegyzés: A pH és a pOH 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/dm3 koncentrációjú sósavoldat pH-ját! A sósav erős, egyértékű sav, ezért [H+] = [HCl] = 0,05 mol/dm3 pH = – lg[H+] = – lg 0,05 = – (– 1,30) = 1,30 2. Határozzuk meg a 0,05 mol/dm3 koncentrációjú KOH-oldat pH-ját! A KOH erős, egyértékű bázis, ezért [OH-] = [KOH] = 0,05 mol/dm3 pOH = –lg[OH– ] = -lg 0,05 = – (–1,30) = 1,30 pH = 14 – pOH = 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 pH-ját! (Sűrűség: 1,005 g/cm3) Először a kénsavoldat anyagmennyiség-koncentrációját kell meghatározni. 100 g oldat térfogata: Ebben van 4,39 g HCl, melynek anyagmennyisége: A kénsavoldat koncentrációja: A sósav pH-ja: pH = -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 hidrogénion koncentrációjának meghatározásához ezt figyelembe kell venni. Gyenge savak pH-ja: pH = 0,5(– lg Ks – lg c) Mennyi a 0,02 mol/dm3 koncentrációjú ecetsavoldat pH-ja? Ks = 1,75∙10–5 mol/dm3 pH = 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 pH-jával! Mivel a sósavoldat egyértékű erős sav, így pH = – 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 pH-változást okoz. Bizonyos feltételek teljesülése esetén az ilyen rendszerek pH-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 pH-változást okoz. Bizonyos feltételek teljesülése esetén az ilyen rendszerek pH-ja közelítőleg állandónak tekinthető. Ezeket az egyensúlyi rendszereket puffereknek, vagy más néven kiegyenlítő oldatoknak nevezzük. Tekintsünk egy oldatot, amelyben NH3 és NH4Cl 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! CH3COOH és CH3COONa GYENGE SAV SAVAS PUFFER A gyenge sav + erős bázis sója A gyenge bázis + erős sav sója NH3 és NH4Cl GYENGE BÁZIS LÚGOS PUFFER A pufferek pH-ja Savas pufferek pH-ja: Lúgos pufferek pH-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 pH-ja: A lúgos pufferek pOH-ja (és ezután a pH-ja) hasonlóképpen vezethető le. TÁMOP 4.1.2.B.2-13/1-2013-0007 „ORSZÁGOS KOORDINÁCIÓVAL A PEDAGÓGUSKÉPZÉS MEGÚJÍTÁSÁÉRT”

A pufferkapacitás A pufferek pH-juk megváltoztatására irányuló külső hatások ellenére (sav illetve bázis hozzáadására) az oldat pH értékét bizonyos határon belül közel állandó értéken tartják. A pufferek kiegyenlítő képességének mértékeként a pufferkapacitást használjuk. Pufferkapacitáson értjük az 1 mol/dm3 koncentrációjú erős sav, illetve erős bázis azon térfogatát (cm3-ben mérve), amely az adott puffer pH 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 pH szabályozását, közel állandó értéken tartását. Biológia: Számos biokémiai folyamat csak akkor megy végbe, ha a rendszer pH-ja a reakció számára kedvező, jellemző értéken van. Ha megváltozik a pH, 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!