Zamknięta ampułka z brunatnym gazem blednie w lodzie, a w gorącej wodzie ciemnieje. W środku ustala się równowaga między bezbarwnym N₂O₄ a brunatnym NO₂, a Ty przesuwasz ją samą temperaturą. Kierunek takiej zmiany przewiduje reguła przekory (reguła Le Chateliera-Brauna): układ w równowadze odpowiada na zmianę warunków tak, żeby ją częściowo zniwelować. Równowagę przesuwają stężenie, temperatura i ciśnienie. Katalizator, dosypane ciało stałe i gaz obojętny nie ruszają jej wcale.
1Stężenie: czego dodasz, to układ zużywa
Układ w równowadze nie stoi w miejscu: reakcja w prawo i reakcja w lewo biegną z tą samą szybkością. Gdy coś zmienisz, ta równowaga się zaburza. Czego dodasz, to układ częściowo zużywa, a co zabierzesz, to częściowo odtwarza.
- dodanie substratu przesuwa równowagę w prawo,
- usunięcie produktu też w prawo,
- dodanie produktu w lewo,
- usunięcie substratu w lewo.
Ważne jest słowo „częściowo”. Układ nie zużywa całego dodatku, tylko jego część, i ustawia nowe stężenia przy tej samej wartości Kc:
W naczyniu o objętości 1 dm³ ustaliła się równowaga A(g) + B(g) ⇄ C(g). Stężenia A, B i C wynoszą po 0,50 mol/dm³.
- Najpierw liczysz stałą: Kc = 0,50 przez 0,50 · 0,50 = 2,0.
- Potem dodajesz 0,35 mola A: tuż po dodaniu stężenie A wynosi 0,85 mol/dm³.
- Następnie równowaga przesuwa się w prawo i ustala przy stężeniach: A 0,75, B 0,40, C 0,60 mol/dm³.
- Na koniec liczysz nową stałą: Kc = 0,60 przez 0,75 · 0,40 = 2,0, tyle samo co przed dodaniem.
Układ niweluje zmianę tylko częściowo: stężenie A wynosi teraz 0,75, czyli więcej niż przed dodaniem (0,50), ale mniej niż tuż po nim (0,85).
Tak samo działa hydroliza estru w kwasie: nadmiar wody przesuwa równowagę w stronę kwasu i alkoholu.
2Temperatura: ciepło jak reagent
Przy temperaturze najprościej dopisać ciepło do równania. W reakcji egzoenergetycznej (ΔH < 0) ciepło się wydziela, więc stoi po stronie produktów. W endoenergetycznej (ΔH > 0) jest pochłaniane, więc stoi po stronie substratów:
ΔH < 0: A + B ⇄ C + ciepło
ΔH > 0: A + B + ciepło ⇄ C
Dalej działa przekora jak przy stężeniu. Ogrzanie to dodanie ciepła, więc układ biegnie w stronę, która je pochłania. Chłodzenie to zabranie ciepła, więc układ biegnie w stronę, która je wydziela.
Ampułka z równowagą, w której N₂O₄ jest bezbarwny, a NO₂ brunatny (ΔH > 0):
N₂O₄ ⇄ 2NO₂
- Najpierw dopisujesz ciepło do równania: stoi po stronie substratu, N₂O₄ + ciepło ⇄ 2NO₂.
- Potem sprawdzasz, co robi ogrzanie: dodaje tego „substratu”, więc równowaga przesuwa się w prawo.
- Na koniec odczytujesz skutek: przybywa brunatnego NO₂, więc gaz w ampułce ciemnieje.
Temperatura różni się od pozostałych czynników jedną rzeczą: tylko zmiana temperatury zmienia wartość Kc. Po dodaniu reagenta albo sprężeniu układ ustawia nowe stężenia przy starej stałej, a po ogrzaniu dostaje nową. W ampułce po ogrzaniu Kc = [NO₂]² przez [N₂O₄] rośnie, bo NO₂ przybywa, a N₂O₄ ubywa.
Nie myl położenia równowagi z szybkością. Ogrzanie przyspiesza obie reakcje, więc równowaga ustala się szybciej. Dla reakcji egzoenergetycznej ustala się jednak przy mniejszej ilości produktu.
3Ciśnienie: policz mole gazów
Gdy sprężasz gaz w stałej temperaturze, „zwiększono ciśnienie” i „zmniejszono objętość” znaczą to samo. Ściśnięty układ przesuwa się w stronę, w której zajmuje mniej miejsca, czyli ma mniej moli gazów.
Synteza amoniaku:
N₂(g) + 3H₂(g) ⇄ 2NH₃(g)
- Najpierw liczysz mole gazów: po lewej 1 + 3 = 4, po prawej 2.
- Potem stosujesz regułę: wzrost ciśnienia przesuwa równowagę w stronę mniejszej liczby moli gazów, czyli w prawo. Amoniaku przybywa.
W tym bilansie liczysz tylko gazy. Ciał stałych i cieczy nie bierzesz pod uwagę:
C(s) + H₂O(g) ⇄ CO(g) + H₂(g)
- Najpierw liczysz mole gazów: po lewej 1, bo węgiel jest ciałem stałym, a po prawej 1 + 1 = 2.
- Potem stosujesz regułę: wzrost ciśnienia przesuwa równowagę w lewo.
Gdy po obu stronach jest tyle samo moli gazów, na przykład w reakcji H₂ + I₂ ⇄ 2HI (2 i 2), zmiana ciśnienia równowagi nie przesuwa! Sam udział gazów w reakcji jeszcze niczego nie przesądza. Uważaj też, jak ciśnienie podniesiono. Dopompowanie jednego z reagentów to w rzeczywistości zmiana jego stężenia, więc wtedy rozumujesz jak przy stężeniu.
4Czego równowaga nie zauważa
Trzy zmiany wyglądają, jakby powinny coś przesunąć, a nie przesuwają nic:
- katalizator przyspiesza reakcję w prawo i w lewo w tym samym stopniu, więc skraca czas dojścia do równowagi, ale jej nie przesuwa;
- dosypane ciało stałe niczego nie zaburza, bo nie ma go w wyrażeniu na Kc;
- gaz obojętny, na przykład argon, dodany przy stałej objętości podnosi ciśnienie całkowite, ale stężenia reagentów zostają te same.
Zdanie katalizator zwiększa wydajność produktu jest fałszywe. Katalizator przyspiesza obie reakcje jednakowo, więc równowaga ustala się szybciej, ale przy tych samych stężeniach. Wydajność w stanie równowagi zostaje taka sama. W przemyśle katalizator i tak się opłaca, bo pozwala prowadzić reakcję w niższej temperaturze.
5Rozwiązane przykłady
W zamkniętym reaktorze ustaliła się równowaga reakcji otrzymywania fosgenu:
CO(g) + Cl₂(g) ⇄ COCl₂(g) ΔH < 0
Określ, jak na ilość fosgenu w stanie równowagi wpłynie każda z czterech zmian: (1) ogrzanie reaktora, (2) zmniejszenie objętości reaktora w stałej temperaturze, (3) dodanie katalizatora, (4) wprowadzenie chloru przy stałej objętości i temperaturze. Dla każdej zmiany napisz: wzrośnie, zmaleje albo nie zmieni się.
Najpierw dopisujesz ciepło do równania: ΔH < 0, więc CO + Cl₂ ⇄ COCl₂ + ciepło.
Potem sprawdzasz ogrzanie: dodaje ciepła, czyli „produktu”, więc równowaga przesuwa się w lewo i fosgenu ubywa.
Następnie liczysz mole gazów, żeby ocenić zmniejszenie objętości: po lewej 1 + 1 = 2, po prawej 1, więc równowaga przesuwa się w prawo i fosgenu przybywa.
Potem sprawdzasz katalizator: nie przesuwa równowagi, więc ilość fosgenu się nie zmienia.
Na koniec sprawdzasz chlor: to substrat, który układ częściowo zużywa, więc równowaga przesuwa się w prawo i fosgenu przybywa.
Odpowiedź 1. zmaleje, 2. wzrośnie, 3. nie zmieni się, 4. wzrośnie
Zadanie z matury: maj 2023, zadanie 21
Polecenia „wyjaśnij” i „uzasadnij” wymagają pary: kierunek i powód. Samo „równowaga przesunie się w prawo” to za mało. Pełna odpowiedź brzmi na przykład: „w lewo, bo reakcja jest egzoenergetyczna, a ogrzanie sprzyja reakcji, która pochłania ciepło”.
Reakcję hydratacji (uwodnienia) etenu opisuje równanie:
CH₂=CH₂(g) + H₂O(g) ⇄ CH₃CH₂OH(g) (katalizator, p, T)
Równowagowy stopień przereagowania etenu, który jest miarą wydajności przedstawionej reakcji, zależy od warunków prowadzenia procesu: temperatury i ciśnienia. Tę zależność przedstawiono na wykresie.
(Wykres z arkusza w skrócie: stopień przereagowania etenu w zależności od ciśnienia od 0 do 10 MPa, osobne krzywe dla 200, 250, 300 i 350 °C. Każda krzywa rośnie z ciśnieniem.)
Wyjaśnij, dlaczego w danej temperaturze równowagowy stopień przereagowania etenu w opisanej reakcji jest tym większy, im wyższe jest ciśnienie, pod którym prowadzona jest reakcja.
Najpierw liczysz mole gazów: po lewej eten i para wodna, 1 + 1 = 2 mole, a po prawej etanol w postaci gazu, 1 mol.
Potem stosujesz regułę: wzrost ciśnienia przesuwa równowagę w stronę mniejszej liczby moli gazów, czyli w prawo, w stronę etanolu.
Na koniec łączysz to ze stopniem przereagowania: im wyższe ciśnienie, tym dalej w prawo leży równowaga, więc tym większa część etenu przereagowuje.
Odpowiedź Po stronie produktu jest mniej moli gazów (1) niż po stronie substratów (2), a wzrost ciśnienia przesuwa równowagę w stronę mniejszej liczby moli gazów.
Odpowiedź musi zawierać porównanie liczby moli gazów po obu stronach równania. Samo hasło „reguła przekory” niczego nie wyjaśnia.
Zadanie z matury: maj 2024, zadanie 13.1
To zadanie sprawdza naraz dwie rzeczy z tego artykułu: ciśnienie przy równej liczbie moli gazów i wpływ temperatury na Kc.
Stężeniowa stała równowagi reakcji zilustrowanej poniższym równaniem:
CO₂(g) + H₂(g) ⇄ CO(g) + H₂O(g) ΔH > 0
w temperaturze T wynosi 1,0.
Oceń prawdziwość poniższych zdań. Zaznacz P, jeśli zdanie jest prawdziwe, albo F – jeśli jest fałszywe.
- Zwiększenie ciśnienia w warunkach izotermicznych (T = const) w opisanym układzie będącym w stanie równowagi będzie skutkowało wzrostem wydajności reakcji otrzymywania tlenku węgla(II) i pary wodnej.
- Obniżenie temperatury w warunkach izobarycznych (p = const) w opisanym układzie będącym w stanie równowagi będzie skutkowało zmniejszeniem wartości stałej równowagi reakcji otrzymywania tlenku węgla(II) i pary wodnej.
Najpierw sprawdzasz zdanie 1 i liczysz mole gazów: po lewej 1 + 1 = 2, po prawej też 1 + 1 = 2. Zmiana ciśnienia nie przesuwa takiej równowagi, więc wydajność się nie zmienia. Zdanie jest fałszywe.
Potem sprawdzasz zdanie 2: ΔH > 0, więc ciepło stoi po stronie substratów. Chłodzenie zabiera ten „substrat”, równowaga przesuwa się w lewo i produktów ubywa.
Na koniec patrzysz na stałą: Kc = [CO] · [H₂O] przez [CO₂] · [H₂] ma produkty w liczniku, więc maleje. Zdanie jest prawdziwe.
Odpowiedź 1. F, 2. P
6Zadania do samodzielnego rozwiązania
Wodór otrzymuje się w przemyśle w reakcji metanu z parą wodną:
CH₄(g) + H₂O(g) ⇄ CO(g) + 3H₂(g) ΔH > 0
a) Rozstrzygnij, czy w celu zwiększenia wydajności otrzymywania wodoru należy podwyższyć, czy obniżyć temperaturę. Uzasadnij odpowiedź.
b) Rozstrzygnij, czy w celu zwiększenia wydajności otrzymywania wodoru należy podwyższyć, czy obniżyć ciśnienie. Uzasadnij odpowiedź.
Pokaż rozumowanieUkryj rozumowanie
a) Dopisujesz ciepło do równania. ΔH > 0, więc ciepło stoi po stronie substratów: CH₄ + H₂O + ciepło ⇄ CO + 3H₂.
Ogrzanie dodaje tego „substratu”, więc równowaga przesuwa się w prawo. Temperaturę trzeba podwyższyć.
b) Liczysz mole gazów: po lewej 1 + 1 = 2, po prawej 1 + 3 = 4.
Spadek ciśnienia przesuwa równowagę w stronę większej liczby moli gazów, czyli w prawo. Ciśnienie trzeba obniżyć.
W uzasadnieniu porównujesz liczby moli gazów po obu stronach. Samo hasło „reguła przekory” nie wystarczy.
Pokaż odpowiedźUkryj odpowiedź
a) Należy podwyższyć temperaturę, bo reakcja jest endoenergetyczna, a ogrzanie sprzyja reakcji pochłaniającej ciepło.
b) Należy obniżyć ciśnienie, bo po stronie produktów jest więcej moli gazów (4) niż po stronie substratów (2), a spadek ciśnienia przesuwa równowagę w stronę większej liczby moli gazów.
W naczyniu o objętości 1,00 dm³, w stałej temperaturze, ustaliła się równowaga:
2SO₂(g) + O₂(g) ⇄ 2SO₃(g)
Stężenia równowagowe wynosiły:
- [SO₂] = 0,40 mol/dm³
- [O₂] = 0,20 mol/dm³
- [SO₃] = 0,40 mol/dm³
Do naczynia wprowadzono 1,70 mola tlenu. Po ustaleniu się nowego stanu równowagi stężenia wynosiły:
- [SO₂] = 0,20 mol/dm³
- [O₂] = 1,80 mol/dm³
- [SO₃] = 0,60 mol/dm³
a) Określ, w którą stronę przesunęła się równowaga po wprowadzeniu tlenu.
b) Oblicz wartość stałej równowagi Kc przed wprowadzeniem tlenu i po ustaleniu się nowego stanu równowagi.
Pokaż rozumowanieUkryj rozumowanie
a) Tlen to substrat, więc układ częściowo go zużywa. SO₃ przybyło (0,40 → 0,60), a SO₂ ubyło (0,40 → 0,20), czyli równowaga przesunęła się w prawo.
Tuż po dodaniu tlenu jego stężenie wynosiło 0,20 + 1,70 = 1,90 mol/dm³, a w nowej równowadze 1,80 mol/dm³. Przereagowała tylko niewielka część dodatku.
b) Zapisujesz wyrażenie na stałą: Kc = [SO₃]² przez [SO₂]² · [O₂] .
Stężenia podnosisz do potęg równych współczynnikom: SO₂ i SO₃ do kwadratu.
Stała przed dodaniem tlenu: Kc = 0,40² przez 0,40² · 0,20 = 0,16 przez 0,032 = 5,0.
Stała po ustaleniu nowej równowagi: Kc = 0,60² przez 0,20² · 1,80 = 0,36 przez 0,072 = 5,0.
Temperatura się nie zmieniła, więc stała też nie: w obu stanach Kc = 5,0.
Pokaż odpowiedźUkryj odpowiedź
a) w prawo
b) Kc = [SO₃]² przez [SO₂]² · [O₂]
przed: Kc = 0,40² przez 0,40² · 0,20 = 0,16 przez 0,032 = 5,0
po: Kc = 0,60² przez 0,20² · 1,80 = 0,36 przez 0,072 = 5,0
W zamkniętym reaktorze ustaliła się równowaga rozkładu chlorku amonu. W reaktorze pozostał stały NH₄Cl.
NH₄Cl(s) ⇄ NH₃(g) + HCl(g) ΔH > 0
Określ, jak na ilość amoniaku w stanie równowagi wpłynie każda z poniższych zmian. Dla każdej napisz: wzrośnie, zmaleje albo nie zmieni się.
- dosypanie chlorku amonu
- zmniejszenie objętości reaktora w stałej temperaturze
- ogrzanie reaktora
- wprowadzenie argonu przy stałej objętości i temperaturze
Pokaż rozumowanieUkryj rozumowanie
- NH₄Cl jest ciałem stałym i nie występuje w wyrażeniu na stałą: Kc = [NH₃] · [HCl]. Dosypanie go niczego nie zmienia, więc ilość amoniaku nie zmieni się.
Ciało stałe nie wchodzi do wyrażenia na stałą, więc jego dosypanie ani odjęcie nie przesuwa równowagi.
- Liczysz mole gazów: po lewej 0, po prawej 1 + 1 = 2. Zmniejszenie objętości przesuwa równowagę w stronę mniejszej liczby moli gazów, czyli w lewo, więc amoniaku ubędzie.
- ΔH > 0, więc ogrzanie przesuwa równowagę w prawo i amoniaku przybędzie.
- Argon przy stałej objętości nie zmienia stężeń reagentów, więc równowaga się nie przesuwa i ilość amoniaku nie zmieni się.
Pokaż odpowiedźUkryj odpowiedź
1. nie zmieni się
2. zmaleje
3. wzrośnie
4. nie zmieni się
Schemat na każde zadanie z regułą przekory
- Ustal, co zmieniono: stężenie, temperaturę, ciśnienie, czy może dodano katalizator, ciało stałe albo gaz obojętny.
- Stężenie: dodany reagent układ częściowo zużywa, zabrany częściowo odtwarza.
- Temperatura: dopisz ciepło do równania (przy ΔH < 0 po stronie produktów, przy ΔH > 0 po stronie substratów) i traktuj je jak reagent.
- Ciśnienie: policz mole gazów po obu stronach. Wzrost ciśnienia przesuwa równowagę w stronę mniejszej liczby moli.
- W odpowiedzi podaj kierunek i powód. Kc zmienia tylko temperatura.
Zapamiętaj do matury4 z 4
- Stężenie
Dodany reagent układ częściowo zużywa, a zabrany częściowo odtwarza. Kc się przy tym nie zmienia.
- Temperatura
ΔH < 0: A + B ⇄ C + ciepło
Ciepło to reagent. Ogrzanie sprzyja reakcji endoenergetycznej. Tylko temperatura zmienia Kc.
- Ciśnienie
Wzrost ciśnienia przesuwa równowagę tam, gdzie jest mniej moli gazów. Liczysz tylko gazy.
- Bez wpływu na równowagę
Katalizator, ciało stałe i gaz obojętny przy stałej objętości nie przesuwają równowagi.
Na koniec: dwie ciekawostki o przekorze
Co Le Chatelier porzucił w 1901 roku i czego potem żałował?
Le Chatelier przegapił syntezę amoniaku
Henry Le Chatelier był inżynierem górniczym i chemikiem przemysłowym. Badał wybuchy gazu w kopalniach i chemię cementu, a swoją regułę ogłosił w 1884 roku. W 1901 roku próbował otrzymać amoniak z azotu i wodoru, ale aparatura wybuchła, bo do mieszaniny dostało się powietrze. Porzucił temat, a kilkanaście lat później Fritz Haber dostał za tę syntezę Nagrodę Nobla. Le Chatelier podobno do końca życia nazywał to swoją największą pomyłką.
Co dzieje się z azotem we krwi nurka z każdymi 10 m głębokości?
Choroba kesonowa to przekora we krwi nurka
Z każdymi 10 m pod wodą ciśnienie rośnie mniej więcej o tyle, ile wynosi całe ciśnienie atmosferyczne. Rozpuszczanie azotu we krwi to równowaga N₂(g) ⇄ N₂(we krwi): wyższe ciśnienie przesuwa ją w stronę azotu rozpuszczonego, więc na głębokości krew zbiera go coraz więcej. Gdy nurek wynurza się za szybko, ciśnienie gwałtownie spada, równowaga odwraca się i azot ucieka z krwi bąbelkami, jak z otwartej butelki gazowanego napoju. Bąbelki w naczyniach krwionośnych są groźne dla życia, dlatego wynurzanie robi się etapami.
Za darmo
Weź darmowy moduł kursu
Cały moduł „Wstęp do chemii organicznej”, z dostępem na rok.
Nie kupujesz dziś? Weź darmową Mapę maturalną
Zapisując się, zgadzasz się na e-maile ode mnie…
(Adrian Warzybok, KaNaU) o nauce chemii, nowościach i ofertach KaNaU — w ramach tego zapisu wysyłam Ci mapę. Zgodę wycofasz w każdej chwili. Polityka prywatności.
