Chem do MaturyDziałyMapy myśli

Stała równowagi – zadania maturalne z chemii

10
zadań
22
polecenia
11
poleceń otwartych z oceną
1
lekcji interaktywnych

Równowaga chemiczna i stała równowagi (Kc)

Równowaga 2NO₂ ⇌ N₂O₄ w dwóch temperaturach — 2NO₂ ⇌ N₂O₄
Równowaga 2NO₂ ⇌ N₂O₄ w dwóch temperaturach — 2NO₂ ⇌ N₂O₄

### Czym jest stan równowagi? Większość reakcji chemicznych to procesy odwracalne. Oznacza to, że obok reakcji tworzenia produktów, zachodzi również reakcja odwrotna – substraty odtwarzają się z produktów. Gdy szybkość reakcji w prawo (v₁) zrówna się z szybkością reakcji w lewo (v₂), układ osiąga **dynamiczny stan równowagi chemicznej**. W tym stanie stężenia wszystkich reagentów przestają ulegać zmianie, chociaż na poziomie mikroskopowym obie reakcje nieustannie biegną. ### Prawo działania mas Zależność między stężeniami reagentów w stanie równowagi opisuje prawo działania mas, sformułowane w 1864 r. przez Guldberga i Waagego. Dla ogólnej reakcji: aA + bB ⇌ cC + dD Wyrażenie na **stężeniową stałą równowagi (Kc)** ma postać: Kc = ([C]^c · [D]^d)/([A]^a · [B]^b) Należy pamiętać, że we wzorze uwzględnia się stężenia równowagowe gazów (g) i substancji rozpuszczonych (aq). Konsekwentnie **pomija się** ciała stałe (s), a także rozpuszczalniki w dużym nadmiarze (np. wodę w rozcieńczonych roztworach wodnych). ### Przykład obliczeniowy **Zadanie:** W reaktorze o objętości 1 dm³ zmieszano początkowo 2 mole SO₂ i 1 mol O₂. W reakcji 2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g) po ustaleniu równowagi powstał 1 mol SO₃. Oblicz Kc. **Rozwiązanie (tabela ICE / PRR - Początkowe, Reagujące, Równowagowe):** 1. Skoro objętość to 1 dm³, liczba moli równa się stężeniu molowemu. 2. Produkt [SO₃] wzrósł o 1 mol. Według stechiometrii (2:1:2), by wytworzyć 1 mol SO₃, musiało ubyć 1 mol SO₂ oraz 0,5 mola O₂. 3. Stężenia równowagowe: - [SO₂] = 2 - 1 = 1 mol/dm³ - [O₂] = 1 - 0,5 = 0,5 mol/dm³ - [SO₃] = 1 mol/dm³ 4. Kc = [SO₃]²/([SO₂]² · [O₂]) = 1²/(1² · 0,5) = 2 Jednostka dla tej reakcji: (mol/dm³)² / ((mol/dm³)² · mol/dm³) = dm³/mol.

Zapamiętaj

  • Dynamiczna równowaga oznacza równe szybkości obu przeciwstawnych reakcji i stałe stężenia makroskopowe.
  • K_c to iloczyn stężeń produktów przez iloczyn stężeń substratów w potęgach współczynników stechiometrycznych.
  • W wyrażeniu na K_c nie uwzględniamy substancji w stanie stałym (s).
  • Wartość stałej K_c zależy wyłącznie od temperatury (katalizator, objętość czy ciśnienie nie zmieniają jej wartości).

Typowe błędy

  • Podstawianie ilości moli do wyrażenia na K_c zamiast stężeń molowych (szczególnie, gdy objętość V reaktora jest inna niż 1 dm³).
  • Brak podniesienia stężeń do potęg wynikających z równania reakcji.
  • Wliczanie ciał stałych (np. węgla, żelaza) do wyrażenia na K_c.
  • Uznawanie, że stała równowagi zmienia się po zmianie ciśnienia, dodaniu substratu lub użyciu katalizatora (tylko temperatura zmienia K_c!).

Wymagania podstawy programowej

  • VI.1.1 Zapisuje wyrażenie na stałą równowagi i oblicza jej wartość oraz stężenia równowagowe.

Przykładowe zadania

Zadanie 1

W zamkniętym reaktorze o stałej pojemności równej 1 dm³ wprowadzono 1 mol wodoru i 1 mol par jodu. Układ ogrzano do określonej temperatury, w której zaszła odwracalna reakcja opisana równaniem: H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g) Po ustaleniu się stanu równowagi chemicznej w reaktorze znajdowało się 1,6 mola jodowodoru.

  1. 1.1 Oblicz wartość stężeniowej stałej równowagi (Kc) tej reakcji w podanej temperaturze. (2 pkt)

    Pokaż odpowiedź

    Odpowiedź: Początkowe: [H₂]=1, [I₂]=1, [HI]=0. Równowagowe: [HI]=1,6, więc przereagowało 0,8 H₂ i 0,8 I₂. Równowagowe: [H₂] = 1 - 0,8 = 0,2 mol/dm³; [I₂] = 1 - 0,8 = 0,2 mol/dm³. Kc = [HI]² / ([H₂] · [I₂]) = (1,6)² / (0,2 · 0,2) = 2,56 / 0,04 = 64.

    Z 1 mola H₂ i 1 mola I₂ powstaje HI. Ponieważ objętość to 1 dm³, stężenia są równe liczbie moli. W równowadze jest 1,6 mola HI, co oznacza, że przereagowało po 0,8 mola H₂ i I₂. Równowagowe stężenia wynoszą: [H₂] = 0,2 M, [I₂] = 0,2 M, [HI] = 1,6 M. Kc = (1,6)² / (0,2 · 0,2) = 2,56 / 0,04 = 64.

  2. 1.2 Oceń prawdziwość podanych zdań dotyczących stanu równowagi w tym reaktorze. (1 pkt)

    • 1. W stanie równowagi chemicznej reakcja syntezy i reakcja rozkładu jodowodoru całkowicie ustają. (P/F)
    • 2. Szybkość reakcji tworzenia jodowodoru jest równa szybkości reakcji jego rozkładu. (P/F)
    • 3. Stosunek molowy reagentów H₂ : I₂ : HI w stanie równowagi wynosi zawsze 1 : 1 : 2 niezależnie od warunków początkowych. (P/F)
    Pokaż odpowiedź

    Odpowiedź: 1 – F, 2 – P, 3 – F

    W stanie równowagi dynamicznej szybkości reakcji w obu kierunkach są sobie równe, a stężenia reagentów pozostają stałe (choć reakcje wciąż zachodzą na poziomie mikroskopowym).

Zadanie 2

W zamkniętym naczyniu o pojemności 2 dm³ umieszczono 4 mole tlenku azotu(IV) i ogrzano, doprowadzając do ustalenia się równowagi chemicznej zilustrowanej równaniem: 2NO₂(g) ⇌ 2NO(g) + O₂(g) W stanie równowagi stwierdzono obecność 2 moli tlenku azotu(II).

  1. 2.1 Zapisz wyrażenie na stężeniową stałą równowagi (Kc) opisanej reakcji: Kc = ___ (1 pkt)

    Pokaż odpowiedź

    Odpowiedź: ([NO]^2 * [O2]) / [NO2]^2

    Wyrażenie na stałą równowagi to stosunek iloczynu stężeń produktów do iloczynu stężeń substratów podniesionych do potęg równych współczynnikom stechiometrycznym.

  2. 2.2 Oblicz stężeniową stałą równowagi (Kc) w warunkach prowadzenia procesu. (2 pkt)

    Pokaż odpowiedź

    Odpowiedź: Obliczenie stężeń początkowych: C(NO₂) = 4 mol / 2 dm³ = 2 mol/dm³. Z 2 moli NO powstało stężenie równowagowe [NO] = 2 mol / 2 dm³ = 1 mol/dm³. Zmiana stężeń: Δ[NO] = +1 M, Δ[O₂] = +0,5 M, Δ[NO₂] = -1 M. Stężenia równowagowe: [NO₂] = 1 M, [NO] = 1 M, [O₂] = 0,5 M. Kc = ([NO]² · [O₂]) / [NO₂]² = (1² · 0,5) / 1² = 0,5.

    Początkowo: n(NO₂) = 4 mol. Równowaga: n(NO) = 2 mol, co oznacza, że powstał 1 mol O₂ i ubyły 2 mole NO₂. Liczby moli w równowadze: n(NO₂) = 2 mol, n(NO) = 2 mol, n(O₂) = 1 mol. Ponieważ V=2 dm³, stężenia to: [NO₂]=1 M, [NO]=1 M, [O₂]=0,5 M. Kc = (1² · 0,5) / 1² = 0,5.

Ćwicz ten dział z oceną – PremiumZałóż darmowe konto

Inne tematy z tego działu