ECHILIBRUL CHIMIC

ECHILIBRUL CHIMIC

Consideratii teoretice

Intr-o reactie chimica reversibila la un moment dat, in conditii determinate de temperatura si presiune se stabileste starea de echilibru dinamic, caracterizata printr-o compozitie invariabila in timp.

Reactie chimica reversibila reactie care poate decurge in ambele sensuri in cursul careia intre participantii la reactie se poate stabili, in anumite conditii de reactie, un echilibru chimic:

N₂ + 3H₂ 2NH₃

Starea de echilibru

stare stabila si independenta de timp a unui sistem; in conditii exterioare constante;

(presiune, temperatura) se poate mentine timp nelimitat;

prezinta mobilitate, adica revine spontan la starea initiala, cand inceteaza actiunea perturbatoare;

este rezultatul a doua procese care se desfasoara cu viteze egale, dar in sensuri opuse aceasta justificand caracterul dinamic al starii de echilibru.

Caracteristicile echilibrului chimic:

reactantii si produsii de reactie coexista, concentratiile lor raman neschimbate;

reactiile directa si inversa decurg simultan si cu viteze egale v_d = v_i ≠ 0;

viteza totala de reactie este nula pentru reactia reversibila v_t = v_d - v_i = 0.

Echilibrul chimic se poate instala atat din directia reactantilor cat si din directia produsilor de reactie.

In continuare sunt prezentate cateva tipuri de echilibre chimice

A. Echilibrul de protoliza – se instaleaza intr-o reactie acido-bazica (reactie cu transfer de protoni):

CH₃COOH+H-OH CH₃COO^-+H₃O⁺ (disociere acid slab in apa) (1)

NH₃+H-OH NH₄OH NH₄⁺+HO^- (disociere baza slaba in apa) (2)

HCl + NaOH Na⁺ + Cl^- + HOH (reactia de neutralizare acid – baza) (3)

CH₃COONa+H-OH CH₃COOH+NaOH (reactia de hidroliza a unei sari) (4)

B. Echilibrul de precipitare – se instaleaza intre substanta nedizolvata (greu solubila) si solutia saturata a respectivei substante greu solubile:

Ba ⁺² _(aq) + SO₄^-2 _(aq) BaSO_{4 (s)}

solutie saturata (ioni substanta nedizolvata) (s)

Formarea precipitatului are loc atunci cand la amestecarea a doua solutii cu ionii unei sari greu solubile, produsul concentratiilor acestor ioni este mai mare decat produsul de solubilitate, Ps al sarii.

Ks = produsul concentratiilor ionilor unei substante greu solubile, dizolvata in solutia saturata (constanta de echilibru a echilibrelor de solubilitate):

AmBn _(s) m A^+z _(aq) + n B^-z_(aq) (6)

C. Echilibrul de oxido-reducere – se stabileste in cazul reactiilor cu schimb de electroni, intre perechile redox corespondente:

M^+z + ne^- M^(z-n)+

Fe³⁺ + e^- Fe⁺²

Br₂⁰ + 2NaOH NaBr⁺¹O + NaBr^-1 + H₂O (10)

D. Echilibrul de formare a complecsilor – se instaleaza in reactia ionilor metalici (hidratati) cu liganzii; in reactia cu liganzii monodentati are loc treptat “dislocarea“ moleculelor de apa:

[Ag( H₂O)₂]⁺ + NH₃ [Ag(NH₃)(H₂O)]⁺ + H₂O (11)

[Ag(NH₃)(H₂O)]⁺ + NH₃ [Ag(NH₃)₂]⁺ + H₂O (12)

Constante de echilibru

Pentru o reactie chimica generala in faza de gaz:

n_AA + n_BB n_CC + n_DD (1.1)

unde, n_A,n_B, n_C si n_D – coeficienti stoechiometrici

- viteza reactiei directe, respectiv viteza reactiei inverse.

conditia cinetica de echilibru este ca vitezele celor doua procese sa fie egale:

(1.2)

iar, conditia termodinamica de echilibru la T=ct. si P=ct. este ca variatia entalpiei libere a sistemului sa fie nula:

(1.3)

legea actiunii maselor–Guldberg si Waage (1.4)

- constanta de echilibru in functie de concentratie, descrie in mod preferential echilibrele chimice intre substantele aflate in solutie;

Legea actiunii maselor. Guldberg si Waage au stabilit in anul 1867 ca raportul dintre produsul concentratiilor produsilor de reactie la puteri egale cu coeficientii lor stoechimetrici si produsul concentratiilor reactantilor la puteri numeric egale cu coeficientii lor stoechiometrici este o constanta, numita constanta de echilibru, K_c (1.1.4).

(1.5)

- constanta de echilibru in functie de presiunile partiale, descrie echilibrele intre partenerii de reactie gazosi; .

(

K_x = constanta de echilibru in functie de fractiile molare, descrie echilibrele intre partenerii de reactie gazosi.

K_c, K_p si K_x sunt dependente de temperatura.

unde, p, x si c reprezinta presiunea partiala, fractia molara si concentratia molara a unui component la echilibru.

Folosind relatiile: (1.7

(

unde, P - presiunea totala a amestecului gazos,

R =8,314 [J/mol·K]=1,987 [cal/ mol·K] si reprezinta constanta generala a gazelor,

T – temperatura absoluta, [K] .

Relatia intre cele trei constante de echilibru:

(1.9

reprezinta variatia stoechiometrica a numarului de moli in reactia chimica,

(1.10)

daca

Factorii care influenteaza echilibrul chimic:

Concentratia - Modificarea concentratiei unuia din componentii amestecului de reactie, va determina desfasurarea reactiei chimice in sensul care se consuma substanta adaugata;

Temperatura - Cresterea temperaturii unui sistem in echilibru (la p = constant) favorizeaza reactia ce consuma caldura (endoterma) si defavorizeaza reactia ce se produce cu degajare de caldura (exoterma). Reactiile reversibile, daca sunt endoterme intr-un sens, sunt exoterme in sensul invers;

Presiunea - Este caracteristica reactiilor de echilibru in faza gazoasa care se produc cu variatie de volum. Cresterea presiunii (la t⁰ C = constant) determina deplasarea echilibrului in sensul concentratiei de volum, echivalent cu micsorarea numarului de moli.

pH-ul – Este caracteristica reactiilor de echilibru in care se formeaza un acid sau o baza.

Influenta concentratiei asupra echilibrului chimic.

Principiul Le Chatelier

Scopul lucrarii

Se aplica principiul lui Le Chatelier pentru a examina deplasarea echilibrului chimic in functie de concentratie. Se va studia in mediu omogen, lichid, reactia dintre FeCl₃ (clorura ferica) si KSCN (sulfocianura de potasiu) cu formarea de Fe(SCN)₃ (sulfocianura ferica) si KCl (clorura de potasiu);

Se calculeaza constanta de echilibru a reactiei reversibile dintre FeCl₃ si KSCN care decurge in solutie.

Introducere

Starea de echilibru se stabileste atunci cand vitezele cu care se desfasoara cele doua reactii opuse si simultane sunt egale.

Pentru reactia:

n_AA + n_BB n_CC + n_DD (2.1)

Viteza reactiei directe este: 

Viteza reactiei inverse este: (

(

– variatia numarului de moli (

Relatia , reprezinta legea actiunii maselor (

Deplasarea echilibrului chimic se face in conformitate cu principiul lui Le Chatelier, principiul diminuarii constrangerii. Conform acestui principiu, daca un sistem aflat in echilibru chimic sufera o constrangere, echilibrul se deplaseaza in sensul diminuarii constrangerii.

Constrangerea poate fi reprezentata de variatia temperaturii, a concentratiei sau a presiunii, conform tabelului 1.

Tabel nr.

In aceasta lucrare se studiaza influenta concentratiei asupra echilibrului chimic efectuand urmatoarea reactie, care decurge in solutie:

FeCl₃ + 3KSCN ⇄ Fe(SCN)₃ + 3KCl (

galben incolor rosu intens incolor

(2.9)

Aparatura si substante: pahar Berzelius, eprubete, stativ pentru eprubete, cilindru gradat, pipete, spatula, termometru, para de cauciuc, solutii de FeCl₃ si KSCN, KCl solid.

Mod de lucru

Intr-un pahar Berzelius se introduc 39 mL apa distilata masurati cu un cilindru gradat, peste care se adauga 0.5 mL FeCl₃ si 0.5 mL KSCN masurati cu o pipeta gradata.

Se noteaza temperatura T a solutiei.

Din solutia obtinuta se toarna volume egale (10 mL) in 4 eprubete, astfel:

- Eprubeta 1 se pastreaza ca etalon de culoare.

- In eprubeta 2 se introduc 4-5 picaturi solutie FeCl

- In eprubeta 3 introduc cate 4-5 picaturi solutie KSCN si 4-5 picaturi solutie KCl.

- In eprubeta 4 se introduc 4-5 picaturi solutie KCl si se agita pana la dizolvare.

Calitativ se va observa deplasarea echilibrului chimic prin compararea culorilor diferitelor probe in care s-a variat pe rand concentratia uneia din substantele initiale sau finale.

Rezultate si calcule

l             Se completeaza tabelul 2 comparand culorile obtinute cu, culoarea solutiei din eprubeta etalon si schimbarile de culoare se explica in functie de modul in care s-a produs deplasarea echilibrului chimic:

Tabel nr. 2 Deplasarea echilibrului chimic

Se calculeaza compozitia de echilibru, pe baza bilantului de material, cunoscand: concentratiile initiale ale reactantilor si stiind ca la echilibru in cei 40 mL solutie (rezultata prin amestecarea reactantilor cu apa) se formeaza 0.0005 mol Fe(SCN)

Se completeaza tabelul 3:

Tabelul nr. 3 Bilant material

Se calculeaza constanta de echilibru K_c cu relatia (2.9).

Se calculeaza entalpia libera de reactie DG cu relatia:

. (2.10)

Interpretarea rezultatelor: Se trag concluziile pentru sensul in care s-a deplasat echilibrul chimic in cele 3 eprubete pe baza principiului lui Le Chatelier