Tersinir ve geri dönüşü olmayan kimyasal reaksiyonlar. Kimyasal denge. Çeşitli faktörlerin etkisi altında dengenin değişmesi
Kimyasal denge
Tek yönde ilerleyen kimyasal reaksiyonlara denir geri döndürülemez.
Kimyasal süreçlerin çoğu geri dönüşümlü. Bu, aynı koşullar altında hem ileri hem de geri reaksiyonların meydana geldiği anlamına gelir (özellikle kapalı sistemlerden bahsediyorsak).
Örneğin:
a) reaksiyon
$CaCO_3(→)↖(t)CaO+CO_2$
açık bir sistemde geri döndürülemez;
b) aynı tepki
$CaCO_3⇄CaO+CO_2$
kapalı bir sistemde geri dönüşümlüdür.
Örneğin koşullu bir reaksiyon için tersinir reaksiyonlar sırasında meydana gelen süreçleri daha ayrıntılı olarak ele alalım:
Kütle etki kanununa göre doğrudan tepkime hızı
$(υ)↖(→)=k_(1) C_(A)^(α) C_(B)^(β)$
$A$ ve $B$ maddelerinin konsantrasyonları zamanla azaldığı için doğrudan reaksiyonun hızı da azalır.
Reaksiyon ürünlerinin ortaya çıkması ters reaksiyon olasılığı anlamına gelir ve zamanla $C$ ve $D$ maddelerinin konsantrasyonları artar, bu da ters reaksiyonun hızının da arttığı anlamına gelir:
$(υ)↖(→)=k_(2) C_(C)^(γ) C_(D)^(δ)$
Er ya da geç ileri ve geri reaksiyon hızlarının eşit olacağı bir duruma ulaşılacaktır.
${υ}↖{→}={υ}↖{←}$
Sistemin ileri reaksiyon hızının geri reaksiyon hızına eşit olduğu duruma kimyasal denge denir.
Bu durumda reaktanların ve reaksiyon ürünlerinin konsantrasyonları değişmeden kalır. Onlar denir denge konsantrasyonları. Makro düzeyde genel olarak hiçbir şeyin değişmediği görülüyor. Ama aslında hem ileri hem de geri süreçler aynı hızda gerçekleşmeye devam ediyor. Bu nedenle sistemdeki bu tür dengeye denir. mobil Ve dinamik.
Denge sabiti
Maddelerin denge konsantrasyonlarını $[A], [B], [C], [D]$ olarak gösterelim.
O halde $(υ)↖(→)=(υ)↖(←), k_(1)·[A]^(α)·[B]^(β)=k_(2)·[C]^ ( γ)·[D]^(δ)$, dolayısıyla
$([C]^(γ)·[D]^(δ))/([A]^(α)·[B]^(β))=(k_1)/(k_2)=K_(equal) $
burada $γ, δ, α, β$ tersinir reaksiyondaki katsayılara eşit üslerdir; $K_(equal)$ kimyasal denge sabitidir.
Ortaya çıkan ifade, niceliksel olarak denge durumunu tanımlar ve denge sistemleri için kütle etki yasasının matematiksel bir ifadesidir.
Sabit bir sıcaklıkta denge sabiti, belirli bir tersinir reaksiyon için sabit bir değerdir. Dengede oluşturulan reaksiyon ürünlerinin konsantrasyonları (pay) ile başlangıç maddeleri (payda) arasındaki ilişkiyi gösterir.
Denge sabitleri, başlangıç maddelerinin ve reaksiyon ürünlerinin belirli bir sıcaklıkta denge konsantrasyonlarını belirleyerek deneysel verilerden hesaplanır.
Denge sabitinin değeri, reaksiyon ürünlerinin verimini ve ilerlemesinin bütünlüğünü karakterize eder. Eğer $K_(equal) >> 1$ alırsak, bu şu anlama gelir: dengede $[C]^(γ)·[D]^(δ) >> [A]^(α)·[B]^( β )$, yani reaksiyon ürünlerinin konsantrasyonları, başlangıç maddelerinin konsantrasyonlarına üstün gelir ve reaksiyon ürünlerinin verimi yüksektir.
$K_(eşit) değerinde
$CH_3COOC_2H_5+H_2O⇄CH_3COOH+C_2H_5OH$
denge sabiti
$K_(eşit)=(·)/(·)$
$20°С$'da değer 0,28$'dır (yani 1$'dan az). Bu, esterin önemli bir kısmının hidrolize olmadığı anlamına gelir.
Heterojen reaksiyonlar durumunda denge sabitinin ifadesi yalnızca gaz veya sıvı fazda bulunan maddelerin konsantrasyonlarını içerir. Örneğin reaksiyon için
denge sabiti şu şekilde ifade edilir:
$K_(eşit)=(^2)/()$
Denge sabitinin değeri reaktanların doğasına ve sıcaklığa bağlıdır.
Sabit, bir katalizörün varlığına bağlı değildir, çünkü hem ileri hem de geri reaksiyonların aktivasyon enerjisini aynı miktarda değiştirir. Katalizör, denge sabitinin değerini etkilemeden yalnızca dengenin başlangıcını hızlandırabilir.
Çeşitli faktörlerin etkisi altında dengenin değişmesi
Denge durumu, sabit dış koşullar altında süresiz olarak korunur: sıcaklık, başlangıç maddelerinin konsantrasyonu, basınç (reaksiyona gazlar katılırsa veya oluşursa).
Bu koşulları değiştirerek sistemi bir denge durumundan yeni koşulları karşılayan başka bir denge durumuna aktarmak mümkündür. Bu geçişe denir yer değiştirme veya denge değişimi.
Amonyak oluşturmak için nitrojen ve hidrojen arasındaki reaksiyon örneğini kullanarak dengeyi değiştirmenin farklı yollarını düşünelim:
$N_2+3H_2⇄2HN_3+Q$
$K_(eşit)=(^2)/(·^3)$
Maddelerin konsantrasyonunu değiştirmenin etkisi
Reaksiyon karışımına nitrojen $N_2$ ve hidrojen $H_2$ eklendiğinde bu gazların konsantrasyonu artar, bu da doğrudan reaksiyonun hızının artması anlamına gelir. Denge sağa, reaksiyon ürününe doğru kayar, yani. amonyağa doğru $NH_3$.
Denge sabiti ifadesini analiz ederek aynı sonuca varılabilir. Azot ve hidrojen konsantrasyonu arttıkça payda artar ve $K_(equal)$ sabit bir değer olduğundan payın artması gerekir. Böylece reaksiyon karışımındaki reaksiyon ürünü $NH_3$ miktarı artacaktır.
Amonyak reaksiyonu ürününün $NH_3$ konsantrasyonundaki bir artış, dengenin sola, başlangıç maddelerinin oluşumuna doğru kaymasına yol açacaktır. Benzer bir mantıkla bu sonuca varılabilir.
Basınç Değişiminin Etkisi
Basınçtaki bir değişiklik yalnızca maddelerden en az birinin gaz halinde olduğu sistemleri etkiler. Basınç arttıkça gazların hacmi azalır, yani konsantrasyonları artar.
Kapalı bir sistemdeki basıncın örneğin $2$ kat arttığını varsayalım. Bu, ele aldığımız reaksiyondaki tüm gaz halindeki maddelerin ($N_2, H_2, NH_3$) konsantrasyonlarının $2$ kat artacağı anlamına gelir. Bu durumda $K_(equal)$ ifadesindeki pay 4 kat, payda ise $16$ kat artacaktır, yani. denge bozulacaktır. Bunu eski haline getirmek için amonyak konsantrasyonunun artması ve nitrojen ve hidrojen konsantrasyonlarının azalması gerekir. Denge sağa kayacak. Basınçtaki bir değişikliğin sıvıların ve katıların hacmi üzerinde neredeyse hiçbir etkisi yoktur; konsantrasyonlarını değiştirmez. Sonuç olarak gaz içermeyen reaksiyonların kimyasal denge durumu basınca bağlı değildir.
Sıcaklık değişiminin etkisi
Sıcaklık arttıkça bildiğiniz gibi tüm reaksiyonların (ekzotermik ve endotermik) hızları artar. Ayrıca sıcaklıktaki bir artışın, yüksek aktivasyon enerjisine sahip olan ve dolayısıyla endotermik olan reaksiyonların hızı üzerinde daha büyük bir etkisi vardır.
Böylece ters reaksiyonun hızı (örneğimizde endotermik), ileri reaksiyonun hızından daha fazla artar. Denge, enerjinin emilmesinin eşlik ettiği sürece doğru kayacaktır.
Denge değişiminin yönü Le Chatelier ilkesi (1884) kullanılarak tahmin edilebilir:
Dengede bulunan bir sisteme dışarıdan bir etki (konsantrasyon, basınç, sıcaklık değişiklikleri) uygulanırsa denge bu etkiyi zayıflatan tarafa kayar.
Sonuç çıkaralım:
- reaktanların konsantrasyonundaki artışla sistemin kimyasal dengesi reaksiyon ürünlerinin oluşumuna doğru kayar;
- reaksiyon ürünlerinin konsantrasyonunun artmasıyla sistemin kimyasal dengesi başlangıç maddelerinin oluşumuna doğru kayar;
- artan basınçla sistemin kimyasal dengesi, oluşan gaz halindeki maddelerin hacminin daha küçük olduğu reaksiyona doğru kayar;
- artan sıcaklıkla sistemin kimyasal dengesi endotermik reaksiyona doğru kayar;
- azalan sıcaklıkla - ekzotermik bir sürece doğru.
Le Chatelier ilkesi yalnızca kimyasal reaksiyonlara değil aynı zamanda diğer birçok sürece de uygulanabilir: buharlaşma, yoğunlaşma, erime, kristalleşme vb. En önemli kimyasal ürünlerin üretiminde Le Chatelier ilkesi ve kütle etki yasasından kaynaklanan hesaplamalar İstenilen maddenin maksimum verimini sağlayan kimyasal işlemlerin gerçekleştirilmesi için bu tür koşulların bulunmasını mümkün kılmak.
Tek yönde ilerleyen kimyasal reaksiyonlara denir geri döndürülemez.
Kimyasal süreçlerin çoğu geri dönüşümlü. Bu, aynı koşullar altında hem ileri hem de geri reaksiyonların meydana geldiği anlamına gelir (özellikle kapalı sistemlerden bahsediyorsak). 
Örneğin:
a) reaksiyon
açık bir sistemde geri döndürülemez;
b) aynı tepki
kapalı bir sistemde geri dönüşümlü.
Kimyasal denge
Örneğin koşullu bir reaksiyon için tersinir reaksiyonlar sırasında meydana gelen süreçleri daha ayrıntılı olarak ele alalım:
Kitlesel eylem yasasına dayanarak ileri reaksiyon hızı:
A ve B maddelerinin derişimleri zamanla azaldığı için doğrudan tepkimenin hızı da azalır.
Reaksiyon ürünlerinin ortaya çıkması ters reaksiyon olasılığı anlamına gelir ve zamanla C ve D maddelerinin konsantrasyonları artar; ters reaksiyon hızı.
Er ya da geç ileri ve geri reaksiyon oranlarının eşit olacağı bir duruma ulaşılacaktır = .
Sistemin ileri reaksiyon hızının geri reaksiyon hızına eşit olduğu duruma denir. kimyasal denge.
Bu durumda reaktanların ve reaksiyon ürünlerinin konsantrasyonları değişmeden kalır. Bunlara denge konsantrasyonları denir. Makro düzeyde genel olarak hiçbir şeyin değişmediği görülüyor. Ama aslında hem ileri hem de geri süreçler aynı hızda gerçekleşmeye devam ediyor. Bu nedenle sistemdeki bu dengeye hareketli ve dinamik denir.
[A], [B], [C], [D] maddelerinin denge konsantrasyonlarını gösterelim. O halde = olduğundan, k 1 [A] α [B] β = k 2 [C] γ [D] δ , Neresi
burada α, β, γ, δ üslerdir, tersinir reaksiyondaki katsayılara eşit; K eşit - kimyasal denge sabiti.
Ortaya çıkan ifade niceliksel olarak açıklar denge durumu ve denge sistemleri için kütle etki yasasının matematiksel bir ifadesidir.
Sabit bir sıcaklıkta denge sabiti Belirli bir tersinir reaksiyon için sabit değer. Dengede oluşturulan reaksiyon ürünlerinin konsantrasyonları (pay) ile başlangıç maddeleri (payda) arasındaki ilişkiyi gösterir.
Denge sabitleri, belirli bir sıcaklıkta başlangıç maddelerinin ve reaksiyon ürünlerinin denge konsantrasyonlarını belirleyerek deneysel verilerden hesaplanır.
Denge sabitinin değeri, reaksiyon ürünlerinin verimini ve ilerlemesinin bütünlüğünü karakterize eder. Eğer K » 1 alırsak, bu şu anlama gelir: dengede [C] γ [D] δ "[A] α [B] β yani reaksiyon ürünlerinin konsantrasyonları, başlangıç maddelerinin konsantrasyonlarına üstün gelir ve reaksiyon ürünlerinin verimi yüksektir.
K'nin «1'e eşit olması durumunda reaksiyon ürünlerinin verimi buna uygun olarak düşüktür. Örneğin asetik asit etil esterin hidroliz reaksiyonu için
denge sabiti:
20 °C'de değeri 0,28'dir (yani 1'den küçüktür).
Bu, esterin önemli bir kısmının hidrolize olmadığı anlamına gelir.
Heterojen reaksiyonlar durumunda denge sabitinin ifadesi yalnızca gaz veya sıvı fazda bulunan maddelerin konsantrasyonlarını içerir. Örneğin reaksiyon için
Denge sabiti şu şekilde ifade edilir:
Denge sabitinin değeri reaktanların doğasına ve sıcaklığa bağlıdır.
Sabit, bir katalizörün varlığına bağlı değildirÇünkü hem ileri hem de geri reaksiyonların aktivasyon enerjisini aynı miktarda değiştirir. Katalizör, denge sabitinin değerini etkilemeden yalnızca dengenin başlangıcını hızlandırabilir.
Denge durumu, sabit dış koşullar altında süresiz olarak korunur: sıcaklık, başlangıç maddelerinin konsantrasyonu, basınç (gazlar reaksiyona katılırsa veya oluşursa).
Bu koşulları değiştirerek sistemi bir denge durumundan yeni koşulları karşılayan başka bir denge durumuna aktarmak mümkündür. Bu geçişe denir yer değiştirme veya denge değişimi.
Amonyak oluşturmak için nitrojen ve hidrojen arasındaki reaksiyon örneğini kullanarak dengeyi değiştirmenin farklı yollarını düşünelim:
Maddelerin konsantrasyonunu değiştirmenin etkisi
Reaksiyon karışımına nitrojen N2 ve hidrojen H2 eklendiğinde bu gazların konsantrasyonu artar, yani ileri reaksiyonun hızı artar. Denge sağa, reaksiyon ürününe, yani amonyak NH3'e doğru kayar.
N2 +3H2 → 2NH3
Denge sabiti ifadesini analiz ederek aynı sonuca varılabilir. Azot ve hidrojen konsantrasyonu arttıkça payda artar ve K eşit olduğu için. - değer sabittir, payın artması gerekir. Böylece reaksiyon karışımındaki reaksiyon ürünü NH3 miktarı artacaktır.
Amonyak NH3'ün reaksiyon ürününün konsantrasyonundaki bir artış, dengenin sola, başlangıç maddelerinin oluşumuna doğru kaymasına yol açacaktır. Benzer bir mantıkla bu sonuca varılabilir.
Basınç Değişiminin Etkisi
Basınçtaki bir değişiklik yalnızca maddelerden en az birinin gaz halinde olduğu sistemleri etkiler. Basınç arttıkça gazların hacmi azalır, yani konsantrasyonları artar.
Kapalı bir sistemdeki basıncın örneğin 2 kat arttığını varsayalım. Bu, söz konusu reaksiyondaki tüm gaz halindeki maddelerin (N2, H2, NH3) konsantrasyonlarının 2 kat artacağı anlamına gelir. Bu durumda K eşittir ifadesindeki pay 4 kat, payda ise 16 kat artacak yani denge bozulacaktır. Bunu eski haline getirmek için amonyak konsantrasyonunun artması ve nitrojen ve hidrojen konsantrasyonlarının azalması gerekir. Denge sağa kayacak. Basınçtaki bir değişikliğin sıvı ve katı cisimlerin hacmi üzerinde neredeyse hiçbir etkisi yoktur, yani konsantrasyonlarını değiştirmez. Buradan, Gaz içermeyen reaksiyonların kimyasal denge durumu basınca bağlı değildir.
Sıcaklık değişiminin etkisi
Sıcaklık arttıkça tüm reaksiyonların (ekso ve endotermik) hızları artar. Ayrıca sıcaklıktaki bir artış, daha yüksek aktivasyon enerjisine sahip reaksiyonların hızı üzerinde daha büyük bir etkiye sahiptir; bu da şu anlama gelir: endotermik.
Böylece ters reaksiyonun hızı (endotermik), ileri reaksiyonun hızından daha fazla artar. Denge, enerjinin emilmesinin eşlik ettiği sürece doğru kayacaktır.
Denge kaymasının yönü kullanılarak tahmin edilebilir. Le Chatelier'in ilkesi:
Dengede bulunan bir sisteme dışarıdan bir etki (konsantrasyon, basınç, sıcaklık değişiklikleri) uygulanırsa denge bu etkiyi zayıflatan tarafa kayar.
Böylece:
Reaktiflerin konsantrasyonu arttıkça sistemin kimyasal dengesi reaksiyon ürünlerinin oluşumuna doğru kayar;
Reaksiyon ürünlerinin konsantrasyonu arttıkça sistemin kimyasal dengesi başlangıç maddelerinin oluşumuna doğru kayar;
Basınç arttıkça sistemin kimyasal dengesi, oluşan gaz halindeki maddelerin hacminin daha küçük olduğu reaksiyona doğru kayar;
Sıcaklık arttıkça sistemin kimyasal dengesi endotermik reaksiyona doğru kayar;
Sıcaklık düştükçe ekzotermik bir sürece doğru ilerler.
Le Chatelier ilkesi yalnızca kimyasal reaksiyonlara değil aynı zamanda diğer birçok sürece de uygulanabilir: buharlaşma, yoğunlaşma, erime, kristalleşme vb. En önemli kimyasal ürünlerin üretiminde Le Chatelier ilkesi ve kütle etki yasasından kaynaklanan hesaplamalar İstenilen maddenin maksimum verimini sağlayan kimyasal işlemlerin gerçekleştirilmesi için bu tür koşulların bulunmasını mümkün kılmak.
Sınava girmek için referans materyali:
Periyodik tablo
Çözünürlük tablosu
Reaksiyon türlerinin çok sayıda sınıflandırması arasında, örneğin termal etkiyle (ekzotermik ve endotermik), maddelerin oksidasyon durumlarındaki değişikliklerle (redoks), bunlara katılan bileşenlerin sayısına göre (ayrışma, bileşikler) belirlenenler. ve benzeri, iki karşılıklı yönde meydana gelen reaksiyonlar, aksi takdirde denir geri dönüşümlü . Tersinir reaksiyonlara bir alternatif reaksiyonlardır geri döndürülemez, bu sırada nihai ürün (çökelti, gaz halindeki madde, su) oluşur. Bu reaksiyonlar arasında şunlar yer almaktadır:
Çözünmeyen bir çökeltinin oluştuğu tuz çözeltileri arasındaki değişim reaksiyonları - CaC03:
Ca(OH)2 + K2C03 → CaCO3↓ + 2KON (1)
veya gaz halindeki bir madde - CO 2:
3 K 2 CO 3 + 2H 3 RO 4 →2K 3 RO 4 + 3 CO2+ 3H20 (2)
veya hafifçe ayrışabilen bir madde elde edilir - H2O:
2NaOH + H2S04 → Na2S04 + 2 H2O(3)
Tersinir bir reaksiyonu düşünürsek, o zaman sadece ileri yönde değil (soldan sağa 1,2,3 reaksiyonlarında) değil, aynı zamanda ters yönde de ilerler. Böyle bir reaksiyonun bir örneği, gaz halindeki maddelerden (hidrojen ve nitrojen) amonyak sentezidir:
3H2 + N2 ↔2NH3 (4)
Böylece, bir kimyasal reaksiyon yalnızca ileri yönde (→) değil aynı zamanda ters yönde de (←) ilerliyorsa tersinir olarak adlandırılır. ve (↔) sembolüyle gösterilir.
Bu tip reaksiyonun temel özelliği, reaksiyon ürünlerinin başlangıç maddelerinden oluşması, ancak aynı zamanda başlangıç reaktiflerinin de aynı ürünlerden oluşmasıdır. Reaksiyon (4)'ü ele alırsak, o zaman göreceli bir zaman biriminde, iki mol amonyak oluşumuyla eşzamanlı olarak, üç mol hidrojen ve bir mol nitrojen oluşumuyla bunların ayrışması meydana gelecektir. Doğrudan reaksiyonun hızını (4) V 1 sembolüyle gösterelim, o zaman bu oranın ifadesi şu şekilde olacaktır:
V 1 = kˑ [Н 2 ] 3 ˑ , (5)
"k" değeri belirli bir reaksiyonun hız sabiti olarak tanımlandığında, [H2 ]3 değerleri reaksiyon denklemindeki katsayılara karşılık gelen güçlere yükseltilen başlangıç maddelerinin konsantrasyonlarına karşılık gelir. Tersinirlik ilkesine uygun olarak ters reaksiyonun hızı şu ifadeyi alacaktır:
V 2 = kˑ 2 (6)
Zamanın ilk anında ileri reaksiyonun hızı en büyük değeri alır. Ancak yavaş yavaş başlangıç reaktiflerinin konsantrasyonları azalır ve reaksiyon hızı yavaşlar. Aynı zamanda ters reaksiyonun hızı da artmaya başlar. İleri ve geri reaksiyonların hızları aynı olduğunda (V 1 = V 2), denge durumu Artık hem başlangıç hem de sonuç reaktiflerinin konsantrasyonlarında bir değişiklik olmaz.
Geri dönüşü olmayan bazı reaksiyonların tam anlamıyla alınmaması gerektiğini belirtmek gerekir. Bir metalin bir asitle, özellikle çinkonun hidroklorik asitle etkileşiminin en sık bahsedilen reaksiyonuna bir örnek verelim:
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2 (7)
Aslında çinko asit içinde çözünerek bir tuz oluşturur: çinko klorür ve hidrojen gazı, ancak bir süre sonra çözeltideki tuz konsantrasyonu arttıkça doğrudan reaksiyonun hızı yavaşlar. Reaksiyon pratikte durduğunda, çözeltide çinko klorürle birlikte belirli miktarda hidroklorik asit bulunacaktır, bu nedenle reaksiyon (7) aşağıdaki biçimde verilmelidir:
2Zn + 2HCl = 2ZnНCl + H2 (8)
Veya Na2S04 ve BaCl2 çözeltilerinin birleştirilmesiyle elde edilen çözünmeyen bir çökeltinin oluşması durumunda:
Na2S04 + BaCl2 = BaS04 ↓ + 2NaCl (9)
çökelmiş tuz BaSO 4, küçük bir ölçüde de olsa iyonlara ayrışacaktır:
BaSO 4 ↔ Ba 2+ + SO 4 2- (10)
Bu nedenle geri dönüşü olmayan ve geri dönüşü olmayan reaksiyonlar kavramları görecelidir. Ancak yine de hem doğada hem de insanların pratik faaliyetlerinde bu tepkiler büyük önem taşıyor. Örneğin, hidrokarbonların veya alkol gibi daha karmaşık organik maddelerin yanma süreçleri:
CH4 + O2 = C02 + H20 (11)
2C2H5OH + 5O2 = 4CO2 + 6H20 (12)
tamamen geri dönüşü olmayan süreçlerdir. (11) ve (12) numaralı reaksiyonların geri dönüşümlü olması insanlık için mutlu bir rüya olarak kabul edilirdi! O zaman CO2 ve H2O'dan tekrar gaz, benzin ve alkol sentezlemek mümkün olacaktır! Öte yandan (4) gibi geri dönüşümlü reaksiyonlar veya kükürt dioksitin oksidasyonu:
SO 2 + O 2 ↔ SO 3 (13)
amonyum tuzları, nitrik asit, sülfürik asit ve diğer inorganik ve organik bileşiklerin üretiminde baziktir. Ancak bu reaksiyonlar tersine çevrilebilir! Nihai ürünleri elde etmek için: NH3 veya SO3, reaktiflerin konsantrasyonlarını değiştirmek, basıncı değiştirmek, sıcaklığı artırmak veya azaltmak gibi teknolojik yöntemlerin kullanılması gerekir. Ancak bu zaten bir sonraki konunun konusu olacak: "Kimyasal dengede değişim."
web sitesi, materyalin tamamını veya bir kısmını kopyalarken kaynağa bir bağlantı gereklidir.
Tüm kimyasal reaksiyonlar iki gruba ayrılabilir: geri döndürülemez ve geri döndürülebilir reaksiyonlar. Geri dönüşü olmayan reaksiyonlar, reaktanlardan biri tamamen tükenene kadar tamamlanmaya devam eder. Tersinir reaksiyonlar tamamlanmaz: Tersinir bir reaksiyonda reaktanların hiçbiri tamamen tükenmez. Bu fark, geri dönüşü olmayan bir reaksiyonun yalnızca bir yönde meydana gelebilmesinden kaynaklanmaktadır. Hem ileri hem de geri yönde tersinir bir reaksiyon meydana gelebilir.
İki örneğe bakalım.
Örnek 1. Çinko ve konsantre nitrik asit arasındaki etkileşim aşağıdaki denkleme göre ilerler:
Yeterli miktarda nitrik asit ile reaksiyon ancak çinkonun tamamı çözündüğünde sona erecektir. Ayrıca bu reaksiyonu ters yönde gerçekleştirmeye çalışırsanız - nitrojen dioksiti bir çinko nitrat çözeltisinden geçirmek, o zaman metalik çinko ve nitrik asit işe yaramayacaktır - bu reaksiyon ters yönde ilerleyemez. Dolayısıyla çinkonun nitrik asitle etkileşimi geri dönüşü olmayan bir reaksiyondur.
Örnek 2. Amonyak sentezi aşağıdaki denkleme göre ilerler:
Bir mol nitrojeni üç mol hidrojenle karıştırırsanız, sistemde reaksiyonun gerçekleşmesi için uygun koşulları yaratırsanız ve yeterli bir süre sonra gaz karışımını analiz ederseniz, analiz sonuçları sadece reaksiyonun olmadığını gösterecektir. Sistemde ürün (amonyak) bulunacağı gibi başlangıç maddeleri de (nitrojen ve hidrojen) bulunacaktır. Şimdi, aynı koşullar altında başlangıç maddesi olarak bir nitrojen-hidrojen karışımı değil, amonyak yerleştirilirse, o zaman amonyağın bir kısmının nitrojen ve hidrojene ayrışacağını ve miktarlar arasındaki son oranı bulmak mümkün olacaktır. Her üç maddenin de nitrojen ve hidrojen karışımından yola çıkıldığındaki durumu ile aynı olacaktır. Dolayısıyla amonyak sentezi tersinir bir reaksiyondur.
Tersinir reaksiyonların denklemlerinde eşittir işareti yerine oklar kullanılabilir; hem ileri hem de geri yönde meydana gelen reaksiyonu sembolize ederler.
Şek. Şekil 68 ileri ve geri reaksiyon oranlarının zaman içindeki değişimini göstermektedir. Başlangıçta başlangıç maddeleri karıştırıldığında ileri reaksiyonun hızı yüksek, ters reaksiyonun hızı ise sıfırdır. Reaksiyon ilerledikçe başlangıç maddeleri tüketilir ve konsantrasyonları düşer.
Pirinç. 63. İleri ve geri reaksiyonların hızının zamanla değişmesi.
Sonuç olarak ileri reaksiyonun hızı azalır. Aynı zamanda reaksiyon ürünleri ortaya çıkar ve konsantrasyonları artar. Sonuç olarak ters bir reaksiyon oluşmaya başlar ve hızı giderek artar. İleri ve geri reaksiyonların hızları eşitlendiğinde kimyasal denge oluşur. Böylece son örnekte nitrojen, hidrojen ve amonyak arasında bir denge kurulur.
Kimyasal dengeye dinamik denge denir. Bu, dengede hem ileri hem de geri reaksiyonların meydana geldiğini, ancak hızlarının aynı olduğunu ve bunun sonucunda sistemdeki değişikliklerin fark edilmediğini vurgular.
Kimyasal dengenin niceliksel bir özelliği, kimyasal denge sabiti adı verilen bir değerdir. İyodür-hidrojen sentezi reaksiyonu örneğini kullanarak bunu düşünelim:
Kütle etki yasasına göre ileri ve geri reaksiyonların hızları aşağıdaki denklemlerle ifade edilir:
Dengede ileri ve geri reaksiyonların hızları birbirine eşittir, dolayısıyla
İleri ve geri reaksiyonların hız sabitlerinin oranı da bir sabittir. Bu reaksiyonun denge sabiti (K) denir:
Nihayet buradan
Bu denklemin sol tarafında, denge - denge konsantrasyonlarında oluşturulan etkileşimli maddelerin konsantrasyonları bulunur. Denklemin sağ tarafı sabit (sabit sıcaklıkta) bir miktardır.
Genel olarak tersinir bir reaksiyonun olduğu gösterilebilir.
denge sabiti aşağıdaki denklemle ifade edilecektir:
Burada büyük harfler maddelerin formüllerini, küçük harfler ise reaksiyon denklemindeki katsayıları göstermektedir.
Dolayısıyla, sabit bir sıcaklıkta, tersinir bir reaksiyonun denge sabiti, dengede oluşturulan reaksiyon ürünlerinin (pay) ve başlangıç maddelerinin (payda) konsantrasyonları arasındaki oranı gösteren sabit bir değerdir.
Denge sabiti denklemi, denge koşulları altında reaksiyona katılan tüm maddelerin konsantrasyonlarının birbiriyle ilişkili olduğunu gösterir. Bu maddelerden herhangi birinin konsantrasyonundaki bir değişiklik, diğer tüm maddelerin konsantrasyonunda da değişiklik yapılmasını gerektirir; sonuç olarak yeni konsantrasyonlar oluşturulur, ancak aralarındaki oran yine denge sabitine karşılık gelir.
Denge sabitinin sayısal değeri, ilk yaklaşımla, belirli bir reaksiyonun verimini karakterize eder. Örneğin reaksiyon verimi yüksek olduğunda, çünkü bu durumda
yani dengede reaksiyon ürünlerinin konsantrasyonları başlangıç maddelerinin konsantrasyonlarından çok daha yüksektir ve bu da reaksiyon veriminin yüksek olduğu anlamına gelir. (Benzer bir nedenden dolayı) reaksiyonun verimi düşük olduğunda.
Heterojen reaksiyonlar durumunda, denge sabitinin ifadesi ve ayrıca kütle etki yasasının ifadesi (bkz. § 58), yalnızca gaz veya sıvı fazda bulunan maddelerin konsantrasyonlarını içerir. Örneğin reaksiyon için
denge sabiti şu şekildedir:
Denge sabitinin değeri reaksiyona giren maddelerin doğasına ve sıcaklığa bağlıdır. Katalizörlerin varlığına bağlı değildir. Daha önce de belirtildiği gibi denge sabiti, ileri ve geri reaksiyonların hız sabitlerinin oranına eşittir. Katalizör hem ileri hem de geri reaksiyonların aktivasyon enerjisini aynı miktarda değiştirdiğinden (bkz. § 60), hız sabitlerinin oranını etkilemez.
Bu nedenle katalizör denge sabitinin değerini etkilemez ve bu nedenle reaksiyonun verimini ne artırabilir ne de azaltabilir. Sadece dengenin başlangıcını hızlandırabilir veya yavaşlatabilir.