Kémiai egyensúlyi folyamatok

Egyensúlyi folyamatok

• Az egyensúlyra vezető kémiai folyamatok közé tartozik a szénsav disszociációja: H2CO3  H+ + HCO3-
• A kettős nyíl azt jelzi, hogy a folyamat mindkét irányban lejátszódhat.
• A dinamikus egyensúly azt jelenti, hogy a szénsav folyamatosan disszociál hidrogén ionná és hidrogénkarbonát-ionná, miközben ugyanannyi vissza is alakul szénsavvá.
• Egy külső hatás (hőmérséklet, pH, nyomás változása) a rendszerben változást idéz elő, a rendszer pedig igyekszik ezt a hatást csökkenteni.
• Ha a víz pH-ját lecsökkentjük, a rendszer a pH növelésére törekszik, eltávolítva a felesleges H+ ionokat a jobb oldali irány felé tolva el a folyamatot.
• Minden egyensúlyi rendszer a külső hatást kompenzálja.
• Hőmérsékletváltozás esetén a folyamatok az exoterm vagy endoterm folyamatok irányába tolódnak el.
• Gázoknál a nyomásnövekedés a kisebb mólszámú gázok irányába tolja el a folyamatot, és az eredeti állapot visszaállítására törekszik.
• Az új egyensúly elérésekor új egyensúlyi rendszer alakul ki.
• A szénsavképződés folyamata: CO2 + H2O  H2CO3
• Ha a nyomást csökkentenénk, a rendszer a nyomás növelésére törekszik. Ezt a gáztermelés növelésével éri el, a folyamatot a szénsav bomlásának irányába tolva.
• A külső hatással az eredeti nyomásviszonyok nem állnak vissza teljesen, de kompenzálódnak, és új egyensúlyi állapot alakul ki: CO2 + H2O  H2CO3

A tömeghatás törvénye

• A megfordítható, egyensúlyi folyamatoknál felírható a tömeghatás törvénye: a keletkezett anyagok koncentrációjának megfelelő hatványon vett szorzata osztva a kiindulási anyagok koncentrációjának megfelelő hatványon vett szorzatával egyenlő egy állandóval.
• Az egyenlet képlete: xA + yB  zC + wD
• A K értéke adott nyomáson, hőmérsékleten és pH-n állandó.
• A számításoknál a koncentráció értékeket mol/L-ben kell kifejezni.
• A vízminőségi problémák gyakran egyensúlyi folyamatokkal kapcsolatosak.
• A szénsav disszociációjára felírva: [H+][HCO3-] / [H2CO3] = K
• A víz is disszociál kis mértékben: H2O  H+ + OH-

A víz disszociációja

• A víz disszociációja kis mértékű: H2O  H+ + OH-
• 10 millió molekulából csak egy disszociál, egy adott vízmennyiségből annak 10-7-szerese disszociál.
• A tömeghatás törvénye a víz disszociációjára alkalmazva: Kv = [H+][OH-] / [H2O]
• Ha 1 mólnyi vízből 10-7 mól disszociál, akkor 10-7 mól H+ és 10-7 mól OH- ion képződik. Az egyenletbe helyettesítve: Kv = [10-7][10-7] / [1] = 10-14
• A víz ionszorzata: Kv = [H+][OH-] = 10-14
• A szorzat értéke állandó; ha az egyik koncentráció változik, a másik is változik.
• A víz semleges, ha a H+ és OH- ionok koncentrációja megegyezik: [H+] = [OH-] = 10-7
• A víz savas, ha a [H+] ionok koncentrációja meghaladja a [OH-] ionok koncentrációját.
• Lúgos, ha a [OH-] ionok koncentrációja meghaladja a [H+] ionok koncentrációját.

A pH fogalma

• A pH a savasság vagy lúgosság jellemzésére szolgál.
• Mivel a [H+] és [OH-] ionok szorzata állandó (10-14), elég az egyik koncentrációt mérni.
• A pH a vízben mért [H+] ion koncentráció 10-es alapú negatív logaritmusa: pH = -lg[H+]
• A pOH hasonlóan értelmezhető.
• A víz ionszorzata a segédfogalmakkal: pH + pOH = 14
• A víz savas, ha a [H+] ion koncentrációja meghaladja a [OH-] ion koncentrációját, lúgos fordított esetben, semleges, ha a koncentrációk megegyeznek.
• A pH függvényében: savas (pH < 7), semleges (pH = 7), lúgos (pH > 7).

Kémiai folyamatok sebessége

• A szervetlen vegyületek reakciói általában gyorsak, a szerves kémiában viszont fontos a reakciósebesség.
• A kémiai reakciók sebességét befolyásoló tényezők: Az anyagoknak közel kell kerülniük egymáshoz (koncentráció), hatékony ütközésre van szükség (megfelelő energiával rendelkező részecskék), a termodinamika II. főtételének megfelelően az energiacsökkenés irányába mutató folyamatok játszódnak le, valamint a hőmérséklet.
• Minél magasabb az anyagok energiaszintje, annál nagyobb a hatékony ütközés esélye.
• A reagáló partnerek koncentrációja is befolyásolja a reakciót, nagyobb koncentráció nagyobb valószínűséget jelent.
• A kémiai reakció sebessége az idővel csökken, ahogy a reagáló anyagok koncentrációja csökken.
• A kémiai reakció sebességének alakulására: v = -k dc / dt
• v: kémiai reakció sebessége, k: állandó, c: résztvevő anyag koncentrációja, t: idő
• A hőmérséklet is befolyásolja a reakciók sebességét, de a hőmérséklet növelése költségekkel jár.
• A magas hőmérséklet miatt a termék nem stabil, különösen szerves anyagok esetén előfordulhat bomlás.

Katalitikus folyamatok

• A katalízis a kémiai reakciók gyorsítása, az energiagátak leküzdése. A katalizátorok végzik ezt.
• A termodinamika II. főtétele szerint az energiacsökkenés irányába mutató folyamatok maguktól lejátszódnak.
• A keletkezett anyagok energiaszintje kisebb, mint a kiindulási anyagoké, és az energiakülönbség felszabadul hő, hang stb. formájában.
• Vannak esetek, amikor a reakció beavatkozást igényel, mert a keletkezett anyagok energiaszintje ugyan kisebb, de aktiválási energiára van szükség.
• A kiindulási anyagok energiaszintjét az aktiválási energiával növelve a folyamatok lejátszódhatnak.
• A katalizátorok lebontják az energiagátakat, speciális felületek, amelyek kémiailag nem vesznek részt a folyamatban, de meggyorsítják azokat.
• A folyamatok katalizátor nélkül is lejátszódnának, de nagyon lassan.
• A katalízis folyamata egyszerűsítve: A + B ≠ C + D (a folyamat nem vagy nagyon lassan játszódik le).
• Katalizátor alkalmazásakor: A + K → AK, AK + B → C + D + K
• A: reagáló partner, B: reagáló partner, K: katalizátor, AK: átmeneti vegyület
• A katalízis 5 fő része: eljutás a katalizátor felületére, megkötődés/reakció, a reagáló partnerek közötti reakció, leválás a katalizátor felületéről, a termék eltávolítása.
• Platina katalizátor az ammóniagáz vagy kénsav ipari előállításánál használatos.