úvod
Keď na plechu zohrejeme modré kryštáliky modrej skalice, zbelejú. Keď na biely prášok nakvapkáme vodu, znova zmodrie a citeľne sa zohreje. Je to reakcia, ktorá môže prebiehať tam aj späť. V tejto lekcii zistíš, čo sa deje, keď reakcia beží oboma smermi naraz, a ako ju posunúť tam, kam potrebujeme.
teória
Vratné a nevratné deje
Mnohé deje sa vrátiť nedajú. Spálené drevo, upečený koláč ani uvarené vajíčko sa na pôvodné látky nezmenia. Takým dejom hovoríme nevratné.
Vratné deje môžu prebiehať oboma smermi:
- fyzikálne: ľad sa topí na vodu a voda tuhne na ľad, voda sa vyparuje a para kondenzuje,
- modrá skalica CuSO₄ · 5 H₂O zahriatím stratí vodu a zbelie, s vodou znova zmodrie,
- chlorid kobaltnatý je suchý modrý a s vodou ružový. Preto ním farbia ukazovatele vlhkosti, napríklad vo vrecúškach silikagélu alebo na figúrkach, ktoré „predpovedajú“ počasie.
Vratnú reakciu zapisujeme obojsmernou šípkou ⇌:
CuSO₄ · 5 H₂O ⇌ CuSO₄ + 5 H₂O
Aj pri chemickom semafore sa farby vracajú späť, tam však striedanie poháňa kyslík, ktorý do roztoku dostaneme zatrasením banky.
teória
Rovnováha je v pohybe
V zatvorenej fľaši minerálky sa navonok nič nedeje. Oxid uhličitý však neustále uniká z vody do plynu nad hladinou a z plynu sa zas rozpúšťa späť. Oba deje bežia rovnako rýchlo, preto sa množstvo rozpusteného plynu nemení. Takému stavu hovoríme rovnováha.
Predstav si dvoch ľudí, ktorí si cez plot prehadzujú jablká. Keď obaja hádžu rovnako rýchlo, počet jabĺk na každej strane plota sa nemení, hoci jablká stále lietajú.
Chemická rovnováha je dynamický stav vratnej reakcie, keď je rýchlosť priamej reakcie rovnaká ako rýchlosť spätnej: v₁ = v₂. Koncentrácie látok sa nemenia, ale rovnaké byť nemusia. Rovnováha sa ustáli len v uzavretej sústave a dosiahne sa z oboch strán: zo zmesi vodíka a jódu aj z čistého jodovodíka vznikne pri rovnakej teplote zmes s rovnakým zložením.
teória
Ako rovnováhu posunúť
Le Chatelierov princíp: keď rovnováhu narušíme zmenou koncentrácie, teploty alebo tlaku, posunie sa tak, aby účinok zmeny zmenšila.
Rovnováha sa teda zmene „bráni“:
- Koncentrácia. Keď pridáme reaktant, časť ho zreaguje a vznikne viac produktov. Keď produkt odoberáme, reakcia beží ďalej k produktom. Pri pálení vápenca uniká oxid uhličitý z pece, preto sa vápenec rozloží celý.
- Teplota. Zohriatie posunie rovnováhu v smere, ktorý teplo spotrebúva (endotermickom), ochladenie v smere, ktorý teplo uvoľňuje. Hnedý oxid dusičitý v zatavenej banke v horúcej vode stmavne a v ľade zbledne, lebo sa mení na bezfarebný N₂O₄.
- Tlak pri plynoch. Vyšší tlak posunie rovnováhu na stranu s menším počtom molekúl plynu. Keď otvoríme minerálku, tlak klesne a oxid uhličitý z vody uniká v bublinkách.
- Katalyzátor rovnováhu neposúva. Len sa ustáli skôr.
Najkrajšie to vidno na ružovom a modrom komplexe kobaltu v pokuse Rovnovážna reakcia a na zrazenine, ktorá sa v kvapke rozpúšťa a znova vzniká, v pokuse Le Chatelierov posun chemickej rovnováhy.
Pri výrobe amoniaku N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g), ΔH = −92 kJ/mol, sa vľavo zo štyroch molekúl plynu stanú vpravo dve. Vysoký tlak (okolo 20 MPa) preto posúva rovnováhu k amoniaku. Nízka teplota by tiež pomohla, lebo reakcia je exotermická, ale reakcia by bola príliš pomalá. Továrne preto pracujú pri kompromisnej teplote okolo 450 °C so železným katalyzátorom a amoniak zo zmesi priebežne odoberajú, aby sa rovnováha stále posúvala k produktu.
teória
Vyskúšaj si posun rovnováhy
V roztoku chloridu kobaltnatého s kyselinou chlorovodíkovou sú v rovnováhe dva komplexy: ružový s molekulami vody a modrý s chloridovými iónmi. Podľa toho, ktorého je viac, je roztok ružový, fialový alebo modrý.
vyskúšaj si
Posuň rovnováhu
Tipni, ako sa zmení farba roztoku.
0 / 0pri izbovej teplote
Roztok chloridu kobaltnatého s kyselinou chlorovodíkovou je fialový: je v ňom ružový aj modrý komplex v rovnováhe.
Najprv tipni, či roztok po zásahu zmodrie, zružovie alebo ostane rovnaký, a potom zásah vyskúšaj. Roztok si pamätá predchádzajúce zásahy, takže farbu môžeš posúvať tam a späť.
Rovnica je [Co(H₂O)₆]²⁺ + 4 Cl⁻ ⇌ [CoCl₄]²⁻ + 6 H₂O a priama reakcia je endotermická. Pri každom zásahu si povedz, či sa mení koncentrácia, alebo teplota, a teda či sa mení aj rovnovážna konštanta.
teória
Rovnovážna konštanta
Chemici vedia rovnováhu opísať aj jedným číslom, ktoré povie, či v rovnovážnej zmesi prevládajú reaktanty, alebo produkty. Počítať s ním sa učí na strednej škole.
Pre reakciu a A + b B ⇌ c C + d D platí v rovnováhe pri danej teplote zákon chemickej rovnováhy (Guldbergov a Waageov zákon):
K = [C]ᶜ · [D]ᵈ / ([A]ᵃ · [B]ᵇ)
Hranaté zátvorky znamenajú rovnovážne koncentrácie v mol/l a exponenty sú koeficienty z rovnice. Tuhé látky a rozpúšťadlo do výrazu nepíšeme, ich „koncentrácia“ sa nemení.
- K ≫ 1: v rovnováhe prevládajú produkty, reakcia prebehne takmer úplne.
- K ≪ 1: prevládajú reaktanty, produktov vznikne málo.
Pre H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2 HI(g) je pri 430 °C K ≈ 54, pre esterifikáciu kyseliny octovej etanolom K ≈ 4 a pre N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) pri 25 °C K = 4,6 · 10⁻³.
Keď zmiešame 1 mol kyseliny octovej a 1 mol etanolu, vznikne x mol esteru aj vody. Pri K = 4 platí x² / (1 − x)² = 4, po odmocnení x / (1 − x) = 2 a x = 2/3 mol. Ani pri dlhom čakaní teda nezreagujú všetky látky, v rovnováhe ostane tretina kyseliny aj etanolu.
Rovnovážna konštanta závisí len od teploty. Pri exotermickej reakcii so stúpajúcou teplotou klesá, pri endotermickej rastie. Zmena koncentrácie alebo tlaku rovnováhu posunie, ale nové zloženie dá opäť rovnakú hodnotu K.
rozšírenie Rovnováha, ktorá tvorí jaskyne
Dažďová voda obsahuje rozpustený oxid uhličitý a pomaly rozpúšťa vápenec:
CaCO₃(s) + CO₂(aq) + H₂O(l) ⇌ Ca²⁺(aq) + 2 HCO₃⁻(aq)
V podzemí, kde je v pôde veľa oxidu uhličitého, sa rovnováha posúva doprava a voda za tisíce rokov vyhlodá v horninách chodby a dómy. Keď však kvapka presakuje do jaskyne, oxid uhličitý z nej uniká do vzduchu, rovnováha sa posunie doľava a vápenec sa znova vylúči. Tak rastú kvaple, často len o zlomky milimetra za rok. Na Slovensku to môžeš vidieť napríklad v Demänovskej jaskyni slobody alebo v Domici. V Ochtinskej aragonitovej jaskyni sa uhličitan vápenatý vylúčil ako vzácny aragonit.
teória
Časté chyby
- „V rovnováhe sa reakcia zastavila.“ Priama aj spätná reakcia bežia ďalej, len rovnako rýchlo, preto sa zloženie nemení.
- „V rovnováhe je rovnako veľa reaktantov a produktov.“ Rovnaké sú rýchlosti, nie množstvá. Pri niektorých rovnováhach prevládajú produkty, pri iných reaktanty.
- „Katalyzátor posunie rovnováhu.“ Zrýchli obe reakcie rovnako, rovnováha sa len ustáli skôr.
- „Každá reakcia sa dá otočiť.“ Mnohé reakcie, napríklad horenie, sú prakticky nevratné.
- „Pridaním reaktantu sa zmení rovnovážna konštanta.“ Rovnováha sa posunie, ale K ostane rovnaká. Mení sa len s teplotou.
- „Do výrazu pre K patrí aj tuhá látka a rozpúšťadlo.“ Tuhé látky a rozpúšťadlo vynechávame. Voda patrí do výrazu len vtedy, keď nie je rozpúšťadlom, napríklad pri esterifikácii.
Rovnováha medzi rozpustenou a vyzrážanou látkou rozhoduje aj o tom, či po zmiešaní dvoch roztokov vznikne zrazenina. Tomu sa venuje ďalšia lekcia Zrážacie a komplexotvorné reakcie.