Bölüm 15 Kimyasal Denge Denge Kavramı

Bölüm 15
Kimyasal Denge
Öğrenme hedefleri ve temel beceriler:
Kimyasal denge ile ne kastedildiğini anlamak ve reaksiyon oranları ile nasıl ilgili
olduğunu inceler
Herhangi bir reaksiyon için denge sabiti yazma
Kc ve Kp
reaktanların göreceli miktarlarda sabit bir denge büyüklüğü ile ilgilidir ve bir denge
karışımındaki mevcut ürünleri inceler
Kimyasal denklemi değişiklikleri yansıtacak şekilde denge sabitini işler
heterojen reaksiyon için denge sabiti ifadesi yazılır
konsantrasyon ölçümleri için bir denge sabiti hesaplanır
Denge sabiti ve konsantrasyonlarda verilen reaksiyon yönü reaksiyona giren maddeler
ve ürünler bazında tahmin edilir
Hesaplanan konsantrasyon dengesi, denge sabiti ve konsantrasyon dengesini verir
Denge konsantrasyonun hesaplanması, denge sabiti ve başlangıç konsatrasyonlarını
verir
Değişen konsantrasyonları, hacim ya da dengedeki bir sistemin sıcaklık denge
konumunu nasıl etkilediğini anlaşılır.
Denge Kavramı
Bir reaksiyon ve bu reaksiyonun tersi aynı
oranda gerçekleşiyorsa kimyasal denge oluşur.
1
Denge Kavramı
• Dengedeki bir sistemde
hem ileri hem geri
reaksiyonlar gerçekleşir.
• Dengede, ileri ve geri
reaksiyonlar aynı oranda
devam edilmektedir.
• Denge elde edildikten
sonra, her bir reaktan ve
ürünün miktarının sabit
kalır.
Kimyasal denge
karşıt tepkiler eşit
oranlarda devam edildikçe oluşur.
N2O4 (g)
2 NO2 (g)
Böylece, sistem dengedeyken, ileri ve geri her iki
reaksiyonlar yürütülmektedir, denklemi bir çift ok
ile yazarız.
İleri reaksiyon:
N2O4 (g) → 2 NO2 (g)
Oran kanunu:
Rate = kf [N2O4]
Geri reaksiyon:
2 NO2 (g) → N2O4 (g)
Oran kanunu:
Rate = kr [NO2]2
2
Denge Sabiti
• Bu nedenle, dengede
Ratef = Rater
kf [N2O4] = kr [NO2]2
• Tekrar yazıldığında, bu olur
kf
[NO2]2
=
kr
[N2O4]
k
Keq = f
kr
[NO2]2
=
[N2O4]
Denge Sabiti
• genelleştirilmiş bir reaksiyon düşünün
aA + bB
cC + dD
Bu reaksiyon için denge ifadesi bu olacaktır
[C]c[D]d
Kc =
[A]a[B]b
Basınç kapalı bir sistem içindeki
gazların konsantrasyonu ile orantılı
olduğu için, denge ifadesi
Ayrıca yazılabilir
(PC)c (PD)d
Kp =
(PA)a (PB)b
3
Kc ve Kp
İdeal gaz kanunundan biliyoruz ki:
PV = nRT ve P = (n/V)RT = [A]RT
Her bir madde için Kp, Kp ve Kc
arasındaki ilişki olur
burada
Kp = Kc (RT)∆n
∆n = (Gaz halindeki ürün molü) - (gaz halindeki reaktif mol)
Denge her iki yöne
ulaşabilir
[NO2]2 oranı [N2O4],
NO2 ve N2O4 baştaki
oranı ne olursa olsun
bu sıcaktıkta sabit
kalır.
4
Denge her iki yöne
ulaşabilir
N2 ve H2 ya da NH3 ile başlatmış
olmamız fark etmez:
Dengedeyken üç maddenin de
oranı aynı olacaktır.
K Değeri Ne Anlama Geliyor?
• Eğer K>>1, reaksiyon
ürünler yönünedir; ürün
dengede hakimdir.
• If K<<1, reaksiyon
girenler yönünedir;
girenler dengede
hakimdir.
*10-3 < K < 103 olduğu zaman, reaksiyonun, dengedeki reaktan
ve ürünlerin önemli bir kısmını ihtiva ettiği düşünülür.
5
Kurgulama Denge Sabitleri
Geri reaksiyonundaki reaksiyon denge sabiti,
ileri reaksiyon denge sabiti karşılığını
oluşturur.
N2O4 (g)
2 NO2 (g)
[NO ]2
2 NO2 (g) Kc = [N O2 ] = 0.212 at 100 °C
2 4
[N O ]
2 4
N2O4 (g) Kc = [NO
2 = 4.72 at 100 °C
2]
Net reaksiyon için denge sabiti iki veya daha fazla
adımda gerçekleşen reaksiyonlardan oluşur belirli
aşamalar için denge sabiti ürünüdür.
Kc’nin İşlenişi
• Zıt yönler.
Kc,new = ters Kc, old.
• Reaksiyon n ile çarpılır.
Kc,new = (Kc,old)n
• Kimyasal denklemlere eklenir, K'lar
çarpılır.
6
Katı konsantrasyonları ve
Sıvılar Esasen sabittir
Böylelikle, katı ve sıvı
konsantrasyonları eşitlik
denklemlerinde yer almaz.
PbCl2 (s)
Pb2+ (aq) + 2 Cl-(aq)
Kc = [Pb2+] [Cl-]2
CaCO3 (s)
CO2 (g) + CaO(s)
Sistemde bazı CaCO3 veya CaO kaldığı sürece,
yukarıdaki katıdaki CO2 miktarı sabit kalır.
7
Equilibrium constant, Kc (Keq or K)
• Ürünler her zaman reaktanlara bölünür.(Bazı ürünler ve
reaktanlar 1'e eşit olduğu halde)
• Tüm konsantrasyonlar eşitlik değerleridir.
• Her bir konsantrasyon stökiyometrik katsayılarına yükseltilir.
• Kc reaksiyon ve sıcaklığa göre değişen oran sabitlerine bağlıdır.
• Kc'de birim yoktur.
• Saf katılar ve saf sıvılar Kc'den ayrılmıştır.
• Bir katalizör denge konsantrasyonlarını (Kc) değiştirmez.
Bir denge problemi
1.000 x 10-3 M H2 ve 2.000 x 10-3 M I2 , 448 °C de
bir kapalı sistem dengeye ulaşabilir. denge
karışımlarının analizi HI konsantrasyonunun 1.87
x 10-3 M olduğunu gösterir.Kc yi 448 °C de
reaksiyon gerçekleşirken hesaplayınız.
H2 (g) + I2 (g)
2 HI (g)
8
Ne biliyoruz?
Initially
[H2], M
[I2], M
[HI], M
1.000 x 10-3
2.000 x 10-3
0
Change
1.87 x 10-3
Equilibrium
[HI], 1.87 x 10-3 M kadar artar
Initially
Change
Equilibrium
[H2], M
[I2], M
[HI], M
1.000 x 10-3
2.000 x 10-3
0
+1.87 x 10-3
1.87 x 10-3
9
Stokiyometri bize [H2] ve [I2]
yarısı kadar azaldığını gösterir.
[H2], M
[I2], M
[HI], M
Initially
1.000 x 10-3
2.000 x 10-3
0
Change
-9.35 x 10-4
-9.35 x 10-4
+1.87 x 10-3
1.87 x 10-3
Equilibrium
Artık denge konsantrasyonun üç
bileşenini de hesaplayabiliriz
[H2], M
[I2], M
[HI], M
Initially
1.000 x 10-3
2.000 x 10-3
0
Change
-9.35 x 10-4
-9.35 x 10-4
+1.87 x 10-3
6.5 x 10-5
1.065 x 10-3
1.87 x 10-3
Equilibrium
10
…ve, böylelikle, denge sabiti.
[HI]2
Kc =
[H2] [I2]
=
(1.87 x 10-3)2
(6.5 x 10-5)(1.065 x 10-3)
= 51
Örnek
Fosfor pentaklorür gazı, kısmi olarak, fosfor triklorür
gazı ve klor gazı parçalanır. 1.20 mol PCI5 200 °
C'de 1.00 L kaba yerleştirilir. denge 1.00 mol PCI5
kalır. 200 ° C de Kc ve Kp'yi hesaplayın.
11
Reaksiyon bölümü (Q)
• S denge ifadesi verdiği
aynı oranını verir, ancak
dengede olmayan bir
sistem için.
• • Q hesaplamak için,
denge ifadeden
reaktanların ve ürünlerin
(başlangıç)
konsantrasyonları çıkartılır.
aA + bB
cC + dD
[ C ] c [ D] d
Q =
[ A]a [ B]b
K ve Q'nun karşılaştırılması
Eğer Q < K
• Çok fazla reaktan vardır.
• Ürün sayısını arttırmak ve reaktan sayısını
düşürmek gerekir.
Eğer Q > K
• Çok fazla ürün vardır.
• Ürün sayısını azaltmak ve reaktan sayısını
arttırmak gerekir.
12
Örnek
Buhar reformasyon reaksiyon olarak, metan, karbon
monoksit ve hidrojen gazı oluşturmak üzere, su buharı ile
reaksiyona girmektedir. 900 K, Kc = at 2.4 × 10-4.
eğer sağ (ürünlere: metan 0.012 mol su buharı 0.0080 mol,
karbon monoksit 0.016 mol ve hidrojen gazı 0.0060 mol
reaksiyonu devam edecek şekilde, 900 K, bir 2,0-L çelik bir
reaktöre konulsaydı ve ısıtılsaydı ) sol (reaktifler)
Örnek
Problem: İlk konsantrasyonları ve denge sabiti
gelen denge konsantrasyonlarını bulma.
N2 (g) + O2 (g) ⇌ 2NO (g) Kc = 0.10 2000 ° C
2000 ° C sıcaklıkta bir reaksiyon karışımı, ilk olarak
[N2] içerir = 0.200 M ve [O2] = 0.200 M
Bu sıcaklıkta reaktanların ve ürünlerin denge
konsantrasyonları bulunuz.
•
"x" değişken reaktanlar (veya ürün) birinin
konsantrasyonundaki değişikliği temsil eder.
•
X açısından diğer reaktanlar ve/veya ürünlerin
konsantrasyonu değişiklikleri tanımlar.
•
İpucu:Genellikle x'in reaktan veya ürünlerin en küçük
stokiyometrik kaysayı ile beraber konsantrasyon
değişimlerini temsil etmesine izin verilir.
13
Örnek
Problem: İlk konsantrasyonları ve denge sabiti
gelen denge konsantrasyonlarını bulma.
N2O4(g)
⇌ 2NO2(g)
Kc = 0.36 at 2000 °C
2000 ° C sıcaklıkta bir reaksiyon karışımı, ilk olarak
[NO2] = 0.100 M de içerir reaktanların ve ürünlerin
bu sıcaklıkta denge konsantrasyonlarını bulun.
Le Châtelier Prensibi
Eğer dengediki bir sistem, sıcaklık, basınç
veya bileşenlerinin yoğunluk değişimi
tarafından etkilenirse etkiyi ortadan
kaldırmak için, sistem denge konumunu
değiştirecektir.
değişen konsantrasyon
sıcaklık
Değişen hacim / basınç
14
Örnek: Le Châtelier Prensibi
N2 (g) + 3 H2 (g)
⇌ 2 NH3 (g)
Kp = 0.0214 at 540 K
Örnek: dengede
PH2 = 2.319 atm
PNH3 = 0.454 atm
PN2 = 0.773 atm
1 atm H2 eklenirse ne olur?
15
The Haber Süreci
H2 sistemine
eklenirse,
N2 tüketilecek ve
iki reaktif fazla
NH3 oluşturulacak.
The Haber Süreci
Bu cihaz, sistem için, sıvı olarak amonyak(NH3)'ın bertaraf
edilmesine ve dengenin sağa itilmesine yardımcı olur.
16
17
Le Châtelier Prensibi: basınç
CO(g) + 3H2(g)
⇌
CH4(g) + H2O(g)
Boyle’s kuralı: sabit sıcaktıkta, PV = k
Kc =
[CH 4 ][H 2 O]
[CO][H 2 ]3
iki kat basınç (yoğunluk)
Qc =
(2[CH 4 ])(2[H 2 O]) K c
=
(2[CO])(2[H 2 ])3
4
Qc < Kc, reaksiyon
ürün oluşturur
Özetle, eğer basınç, bir reaksiyon karışımının hacmi
azaltılarak arttırılırsa reaksiyon gazının daha az gaz
molü yönüne kayar.
18
Le Châtelier Prensibi sıcaklık
endotermik ∆H > 0
Isı K'nın artışı ile T sonuçları artan bir
reaktan olarak düşünülebilir
egzotermik ∆H < 0
Isı T'nin artışı ile K sonuçları artan bir
reaktan olarak düşünülebilir
Isı değişiminin etkisi
Co(H2O)62+ (aq) + 4 Cl- (aq) ⇌ CoCl42- (aq) + 6 H2O (l)
19
Örnek: Le Châtelier Prensibi
N2O4 (g) ⇌ 2 NO2 (g) endotermiktir.
sıcaklık artarsa ne olur?
Katalizörler
Katalizörler, hem ileri
hem geri reaksiyon
oranını arttırmaktadır.
Eğer katalizör kullanır
ise, dengeye daha
hızlı ulaşılır, ancak
denge bileşimi
değişmeden kalır.
20
21