Pe scurt
Echilibrul chimic este o stare dinamică a unui sistem reversibil, în care vitezele reacțiilor directă și inversă sunt egale, iar concentrațiile reactanților și produșilor rămân constante în timp. Constanta de echilibru K exprimă raportul concentrațiilor produșilor și reactanților la echilibru, iar principiul lui Le Chatelier descrie modul în care echilibrul se deplasează pentru a contracara modificările de concentrație, presiune sau temperatură.
Definiția echilibrului chimic
Echilibrul chimic reprezintă starea unui sistem chimic reversibil în care viteza reacției directe este egală cu viteza reacției inverse, iar concentrațiile reactanților și produșilor rămân constante în timp, deși ambele reacții continuă să aibă loc. Acest echilibru este dinamic, nu static.
Constanta de echilibru
Pentru o reacție generală de tipul: aA + bB ⇌ cC + dD, legea acțiunii maselor definește constanta de echilibru Kc (în funcție de concentrații molare) ca:
- **Kc = ([C]^c * [D]^d) / ([A]^a * [B]^b), unde parantezele pătrate indică concentrațiile la echilibru
- K este adimensional atunci când se utilizează activități, dar în practică se exprimă prin concentrații
- O valoare mare a lui K (>>1) indică un echilibru deplasat spre produși
- O valoare mică a lui K (<<1) indică un echilibru deplasat spre reactanți
Pentru reacțiile în fază gazoasă, se poate utiliza Kp, exprimat în funcție de presiunile parțiale, relația dintre Kc și Kp fiind:
- Kp = Kc * (RT)^(Δn), unde Δn = (c+d) - (a+b)
Principiul lui Le Chatelier
Principiul lui Le Chatelier afirmă că, dacă un sistem aflat în echilibru este supus unei modificări de concentrație, presiune sau temperatură, echilibrul se deplasează în sensul care contracarează efectul modificării.
Modificarea concentrației
- Adăugarea unui reactant deplasează echilibrul spre dreapta (formarea de produși)
- Eliminarea unui produs are același efect
Modificarea presiunii
- Creșterea presiunii (prin micșorarea volumului) favorizează reacția care duce la un număr mai mic de molecule de gaz
Modificarea temperaturii
- Creșterea temperaturii favorizează reacția endotermă (considerată cu absorție de căldură)
- Scăderea temperaturii favorizează reacția exotermă
Rolul catalizatorului
- Utilizarea unui catalizator nu modifică poziția echilibrului, ci doar accelerează atingerea acestuia prin scăderea energiei de activare pentru ambele reacții
Exemple practice
Exemplul 1 – Calcul Kc
La 250°C, pentru reacția PCl5(g) ⇌ PCl3(g) + Cl2(g)
, se introduc 2 moli de PCl5 într-un vas de 5 L. La echilibru se găsesc 0,8 moli de Cl2. Calculați Kc.
Rezolvare
: [PCl5] inițial = 2/5 = 0,4 M. Se formează 0,8/5 = 0,16 M Cl2 și tot atâta PCl3. [PCl5] la echilibru = 0,4 - 0,16 = 0,24 M. Kc = (0,16*0,16)/0,24 ≈ 0,1067
Exemplul 2 – Principiul Le Chatelier (presiune)
Reacția N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g)
este exotermă.
mărește presiunea
, echilibrul se deplasează spre dreapta (formarea NH3), deoarece în dreapta sunt 2 moli de gaz, iar în stânga 4 moli
b) Dacă se scade temperatura
, echilibrul se deplasează spre dreapta (reacția exotermă este favorizată de răcire)
Exemplul 3 – Determinare concentrații la echilibru
Pentru reacția H2(g) + I2(g) ⇌ 2HI(g)
, Kc = 50 la o anumită temperatură. Se amestecă 1 mol H2 și 1 mol I2 într-un vas de 1 L. Calculați concentrațiile la echilibru.
Rezolvare
: Fie x numărul de moli de H2 consumați. La echilibru: [H2]=1-x, [I2]=1-x, [HI]=2x. Kc = (2x)^2 / [(1-x)(1-x)] = 50
=> (4x^2)/(1-x)^2 = 50 => 2x/(1-x)=√50≈7,07 => 2x=7,07-7,07x => 9,07x=7,07 => x≈0,78. Concentrații: [H2]=0,22 M, [I2]=0,22 M, [HI]=1,56 M
Concepte cheie
Echilibrul chimic dinamic
– starea în care vitezele reacțiilor directă și inversă sunt egale
Constanta de echilibru Kc (și Kp)
– exprimă raportul dintre concentrațiile produșilor și reactanților la echilibru, fiecare ridicat la puterea coeficientului stoichiometric
Principiul lui Le Chatelier** – modificarea concentrației, presiunii sau temperaturii determină deplasarea echilibrului în sensul contracarării modificării
Verifică-te!
- Ce reprezintă constanta de echilibru Kc și cum se calculează pentru o reacție generală de tipul aA + bB ⇌ cC + dD?
- Cum se deplasează echilibrul pentru reacția N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) (exotermă) dacă se scade temperatura și de ce?
- Care este efectul unui catalizator asupra poziției echilibrului chimic?