Μεταβολή συγκέντρωσης και χημική ισορροπία

Με μια ματιά

Κρατάς σταθερά τη θερμοκρασία και τον όγκο. Αν μεταβάλλεις αρχικά μόνο ένα αέριο ή διαλυμένο συστατικό, η προσθήκη ευνοεί την κατεύθυνση που το καταναλώνει και η αφαίρεση αυτήν που το σχηματίζει. Σε διάγραμμα ξεχωρίζεις το άμεσο άλμα από τις συνεχείς μεταβολές λόγω αντίδρασης. Η μεταβολή συγκέντρωσης δεν αλλάζει τη $\kc$ στην ίδια θερμοκρασία· η αρχή Le Chatelier προβλέπει μόνο κατεύθυνση, όχι τελικές συγκεντρώσεις.

2Κεντρική ιδέα

Κρατάς σταθερά τη θερμοκρασία και τον όγκο. Όταν προσθέτεις ένα αέριο ή διαλυμένο συστατικό και αφήνεις αρχικά αμετάβλητες τις άλλες συγκεντρώσεις, προβλέπεις μετατόπιση της θέσης χημικής ισορροπίας προς την κατεύθυνση που το καταναλώνει. Όταν αφαιρείς ένα τέτοιο συστατικό, προβλέπεις μετατόπιση προς την κατεύθυνση που το σχηματίζει. Μια μεταβολή συγκέντρωσης μπορεί να αλλάξει το πηλίκο αντίδρασης $\qc$ και τη σύσταση ισορροπίας, αλλά δεν αλλάζει τη σταθερά χημικής ισορροπίας $\kc$ στην ίδια θερμοκρασία. Με την αρχή Le Chatelier προβλέπεις μόνο την κατεύθυνση που αντιτίθεται στην επιβαλλόμενη μεταβολή. Δεν υπολογίζεις μόνο από αυτήν τις τελικές συγκεντρώσεις. Όταν μεταβάλλεις μόνο την ποσότητα μιας υπάρχουσας καθαρής στερεής ή καθαρής υγρής φάσης, δεν προβλέπεις μετατόπιση, εφόσον οι αναγκαίες φάσεις παραμένουν παρούσες και οι συγκεντρώσεις που συμμετέχουν δεν αλλάζουν. Όταν προσθέτεις διαλύτη, ελέγχεις πρώτα την αραίωση των συγκεντρώσεων.

3Εξήγηση

Ξεχωρίζεις πρώτα την επιβαλλόμενη μεταβολή από τη μεταβολή λόγω αντίδρασης. Σε σταθερή θερμοκρασία και όγκο, όταν μεταβάλλεις αρχικά μόνο ένα συστατικό, η στιγμιαία προσθήκη ή αφαίρεσή του προκαλεί άμεσο άλμα μόνο στη δική του συγκέντρωση σε διάγραμμα συγκέντρωσης και χρόνου. Έπειτα σχεδιάζεις συνεχείς μεταβολές, καθώς η αντίδραση οδηγεί τις συγκεντρώσεις σε νέες σταθερές τιμές. Σε μετατόπιση προς τα δεξιά περιγράφεις σχηματισμό προϊόντων από την κατάσταση αμέσως μετά την επιβαλλόμενη μεταβολή. Σε μετατόπιση προς τα αριστερά περιγράφεις σχηματισμό αντιδρώντων από την ίδια χρονική αφετηρία. Αν μεταβάλλεις τον όγκο, δεν σχεδιάζεις άμεσο άλμα μόνο για ένα αέριο. Υπολογίζεις πρώτα τις νέες συγκεντρώσεις όλων των αερίων από την ποσότητα και τον νέο όγκο και μετά εξετάζεις τη μεταβολή λόγω αντίδρασης.

4Παράδειγμα

Σε σταθερή θερμοκρασία και όγκο έχεις την αμφίδρομη αντίδραση

Προσθέτεις απότομα $\chem{A}\state{g}$ σε σύστημα που βρίσκεται σε χημική ισορροπία.

Σκέψου το επόμενο βήμα πριν το ανοίξεις.

1. Δείξε το βήμα 1

   Σημειώνεις άμεσο ανοδικό άλμα μόνο στη $\conc{\chem{A}}$, επειδή η προσθήκη μεταβάλλει αρχικά μόνο αυτήν τη συγκέντρωση.

2. Δείξε το βήμα 2

   Προβλέπεις μετατόπιση προς τα δεξιά, επειδή αυτή η κατεύθυνση καταναλώνει το $\chem{A}\state{g}$ που πρόσθεσες.

3. Δείξε το βήμα 3

   Σχεδιάζεις μετά το άλμα συνεχή μείωση των $\conc{\chem{A}}$ και $\conc{\chem{B}}$ και συνεχή αύξηση της $\conc{\chem{C}}$, μέχρι να φτάσουν σε νέες σταθερές τιμές.

4. Δείξε το βήμα 4

   Κρατάς τη $\kc$ αμετάβλητη, επειδή η θερμοκρασία δεν αλλάζει.

5Παράδειγμα

Σε σταθερή θερμοκρασία και όγκο έχεις την αμφίδρομη αντίδραση

Το σύστημα βρίσκεται αρχικά σε χημική ισορροπία. Στη χρονική στιγμή $5\,\unit{min}$ αφαιρείς απότομα μέρος του $\chem{B}\state{aq}$. Περιγράφεις τις μεταβολές σε διάγραμμα συγκέντρωσης και χρόνου.

Σκέψου το επόμενο βήμα πριν το ανοίξεις.

1. Δείξε το βήμα 1

   Σημειώνεις στη χρονική στιγμή $5\,\unit{min}$ άμεσο καθοδικό άλμα μόνο στη $\conc{\chem{B}}$, ενώ αφήνεις αρχικά αμετάβλητη τη $\conc{\chem{A}}$.

2. Δείξε το βήμα 2

   Προβλέπεις μετατόπιση προς τα δεξιά, επειδή αυτή η κατεύθυνση σχηματίζει το $\chem{B}\state{aq}$ που αφαίρεσες.

3. Δείξε το βήμα 3

   Σχεδιάζεις μετά το άλμα συνεχή αύξηση της $\conc{\chem{B}}$ και συνεχή μείωση της $\conc{\chem{A}}$, μέχρι να φτάσουν σε νέες σταθερές τιμές.

4. Δείξε το βήμα 4

   Δεν δίνεις αριθμητικές τελικές συγκεντρώσεις μόνο από την κατεύθυνση της μετατόπισης, επειδή η αρχή Le Chatelier δεν υπολογίζει την τελική σύσταση.

5. Δείξε το βήμα 5

   Κρατάς τη $\kc$ αμετάβλητη, επειδή η θερμοκρασία παραμένει σταθερή.

6Συχνά λάθη

• Η $\kc$ παραμένει ίδια σε σταθερή θερμοκρασία· κράτησε την ίδια τιμή μετά από μεταβολή συγκέντρωσης.
• Μην αποδίδεις το άμεσο άλμα της συγκέντρωσης στη μετατόπιση· το άλμα ανήκει στην επιβαλλόμενη προσθήκη ή αφαίρεση.
• Μην σχεδιάζεις άμεσο άλμα μόνο για ένα αέριο όταν μεταβάλλεται ο όγκος· ελέγχεις πρώτα όλες τις αέριες συγκεντρώσεις.
• Μην προβλέπεις μετατόπιση μόνο επειδή αλλάζει η ποσότητα μιας καθαρής στερεής ή καθαρής υγρής φάσης, όταν οι αναγκαίες φάσεις παραμένουν παρούσες και οι συγκεντρώσεις δεν αλλάζουν.
• Μην αγνοείς την αραίωση όταν προσθέτεις διαλύτη· ελέγχεις ποιες συγκεντρώσεις αλλάζουν.