Bölüm 15 Kimyasal Denge. Denge Kavramı

Transkript

1 Öğrenme hedefleri ve temel beceriler: Bölüm 15 Kimyasal Denge Kimyasal denge ile ne kastedildiğini anlamak ve reaksiyon oranları ile nasıl ilgili olduğunu inceler Herhangi bir reaksiyon için denge sabiti yazma K c ve K p 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

2 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. N 2 O 4 (g) 2 NO 2 (g) Böylece, sistem dengedeyken, ileri ve geri her iki reaksiyonlar yürütülmektedir, denklemi bir çift ok ile yazarız. İleri reaksiyon: N 2 O 4 (g) 2 NO 2 (g) Oran kanunu: Rate = k f [N 2 O 4 ] Geri reaksiyon: 2 NO 2 (g) N 2 O 4 (g) Oran kanunu: Rate = k r [NO 2 ] 2 2

3 Denge Sabiti Bu nedenle, dengede Rate f = Rate r k f [N 2 O 4 ] = k r [NO 2 ] 2 Tekrar yazıldığında, bu olur k f [NO 2 ] = 2 k r [N 2 O 4 ] K eq = k f [NO 2 ] = 2 k r [N 2 O 4 ] Denge Sabiti genelleştirilmiş bir reaksiyon düşünün aa + bb cc + dd Bu reaksiyon için denge ifadesi bu olacaktır K c = [C]c [D] d [A] a [B] b Basınç kapalı bir sistem içindeki gazların konsantrasyonu ile orantılı olduğu için, denge ifadesi Ayrıca yazılabilir K p = (P C) c (P D ) d (P A ) a (P B ) b 3

4 K c ve K p 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 K p = K c (RT) n n = (Gaz halindeki ürün molü) - (gaz halindeki reaktif mol) Denge her iki yöne ulaşabilir [NO 2 ] 2 oranı [N 2 O 4 ], NO 2 ve N 2 O 4 baştaki oranı ne olursa olsun bu sıcaktıkta sabit kalır. 4

5 Denge her iki yöne ulaşabilir N 2 ve H 2 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 < 10 3 olduğu zaman, reaksiyonun, dengedeki reaktan ve ürünlerin önemli bir kısmını ihtiva ettiği düşünülür. 5

6 Kurgulama Denge Sabitleri Geri reaksiyonundaki reaksiyon denge sabiti, ileri reaksiyon denge sabiti karşılığını oluşturur. N 2 O 4 (g) 2 NO 2 (g) 2 NO 2 (g) N 2 O 4 (g) [NO K c = 2 ] 2 = at 100 C [N 2 O 4 ] [N K c = 2 O 4 ] = 4.72 at 100 C [NO 2 ] 2 Net reaksiyon için denge sabiti iki veya daha fazla adımda gerçekleşen reaksiyonlardan oluşur belirli aşamalar için denge sabiti ürünüdür. K c nin İşlenişi Zıt yönler. K c,new = ters K c, old. Reaksiyon n ile çarpılır. K c,new = (K c,old ) n Kimyasal denklemlere eklenir, K'lar çarpılır. 6

7 Katı konsantrasyonları ve Sıvılar Esasen sabittir Böylelikle, katı ve sıvı konsantrasyonları eşitlik denklemlerinde yer almaz. PbCl 2 (s) Pb 2+ (aq) + 2 Cl - (aq) K c = [Pb 2+ ] [Cl - ] 2 CaCO 3 (s) CO 2 (g) + CaO (s) Sistemde bazı CaCO 3 veya CaO kaldığı sürece, yukarıdaki katıdaki CO 2 miktarı sabit kalır. 7

8 Equilibrium constant, K c (K eq 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. K c reaksiyon ve sıcaklığa göre değişen oran sabitlerine bağlıdır. K c 'de birim yoktur. Saf katılar ve saf sıvılar Kc'den ayrılmıştır. Bir katalizör denge konsantrasyonlarını (Kc) değiştirmez. Bir denge problemi x 10-3 M H 2 ve x 10-3 M I 2, 448 C de bir kapalı sistem dengeye ulaşabilir. denge karışımlarının analizi HI konsantrasyonunun 1.87 x 10-3 M olduğunu gösterir.k c yi 448 C de reaksiyon gerçekleşirken hesaplayınız. H 2 (g) + I 2 (g) 2 HI (g) 8

9 Ne biliyoruz? [H 2 ], M [I 2 ], M [HI], M Initially x x Change Equilibrium 1.87 x 10-3 [HI], 1.87 x 10-3 M kadar artar [H 2 ], M [I 2 ], M [HI], M Initially x x Change x 10-3 Equilibrium 1.87 x

10 Stokiyometri bize [H 2 ] ve [I 2 ] yarısı kadar azaldığını gösterir. [H 2 ], M [I 2 ], M [HI], M Initially x x Change x x x 10-3 Equilibrium 1.87 x 10-3 Artık denge konsantrasyonun üç bileşenini de hesaplayabiliriz [H 2 ], M [I 2 ], M [HI], M Initially x x Change x x x 10-3 Equilibrium 6.5 x x x

11 ve, böylelikle, denge sabiti. K c = = [HI] 2 [H 2 ] [I 2 ] (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 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

12 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 Q c C D = [ ] [ ] a [ A] [ B] cc + dd d 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

13 Örnek Buhar reformasyon reaksiyon olarak, metan, karbon monoksit ve hidrojen gazı oluşturmak üzere, su buharı ile reaksiyona girmektedir. 900 K, Kc = at eğer sağ (ürünlere: metan mol su buharı mol, karbon monoksit mol ve hidrojen gazı 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 = C 2000 C sıcaklıkta bir reaksiyon karışımı, ilk olarak [N2] içerir = M ve [O2] = 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

14 Örnek Problem: İlk konsantrasyonları ve denge sabiti gelen denge konsantrasyonlarını bulma. N 2 O 4 (g) 2NO 2 (g) K c = 0.36 at 2000 C 2000 C sıcaklıkta bir reaksiyon karışımı, ilk olarak [NO2] = 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

15 Örnek: Le Châtelier Prensibi N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) K p = at 540 K Örnek: dengede P H2 = atm P NH3 = atm P N2 = atm 1 atm H 2 eklenirse ne olur? 15

16 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 17

18 Le Châtelier Prensibi: basınç CO(g) + 3H 2 (g) CH 4 (g) + H 2 O(g) Boyle s kuralı: sabit sıcaktıkta, PV = k [CH 4][H2O] K c = 3 [CO][H ] iki kat basınç (yoğunluk) 2 (2[CH ])(2[H 2O]) Q c = = 3 (2[CO])(2[H ]) 2 K 4 4 c Q c < K c, reaksiyon ürün oluşturur Özetle, eğer basınç, bir reaksiyon karışımının hacmi azaltılarak arttırılırsa reaksiyon gazının daha az gaz molü yönüne kayar. 18

19 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(H 2 O) 6 2+ (aq) + 4 Cl - (aq) CoCl 4 2- (aq) + 6 H 2 O (l) 19

20 Örnek: Le Châtelier Prensibi N 2 O 4 (g) 2 NO 2 (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 21