Ερμηνεία γραφήματος και πίνακα χημικής ισορροπίας

Με μια ματιά

Διαβάζεις άξονες, μονάδες και είδος δεδομένων. Σε κλειστό σύστημα αμφίδρομης αντίδρασης υπό σταθερές συνθήκες, δέχεσαι τα σταθερά οροπέδια ως ισορροπία όταν γνωρίζεις ότι το σύστημα φτάνει σε δυναμική χημική ισορροπία. Σε γράφημα ταχυτήτων αναγνωρίζεις την ισορροπία από διαρκή ισότητα των αντίθετων ταχυτήτων. Ξεχωρίζεις την άμεση επιβαλλόμενη μεταβολή από τη μεταγενέστερη μεταβολή λόγω αντίδρασης. Συνδέεις τις μεταβολές ποσοτήτων λόγω αντίδρασης με τους συντελεστές της σταθμισμένης εξίσωσης. Σε σταθερό όγκο εφαρμόζεις τις ίδιες αναλογίες στις συγκεντρώσεις. Μετατρέπεις τις ποσότητες σε συγκεντρώσεις με θετικό όγκο. Έτσι βρίσκεις την κατεύθυνση της αντίδρασης ή την τελική σύσταση και ελέγχεις το συμπέρασμα με τις τιμές, τις μονάδες και τις στοιχειομετρικές αναλογίες.

2Μέθοδος

1. Ελέγχεις ότι η εκφώνηση δηλώνει κλειστό σύστημα αμφίδρομης αντίδρασης υπό σταθερές συνθήκες. Βεβαιώνεσαι ότι το σύστημα είναι γνωστό πως φτάνει σε δυναμική χημική ισορροπία ή ότι κατάλληλο γράφημα δείχνει διαρκή ισότητα των αντίθετων ταχυτήτων.
2. Διαβάζεις άξονες, μονάδες, ετικέτες ουσιών και χρόνο μεταβολής ή ελέγχεις αν ο πίνακας περιέχει ποσότητες ή συγκεντρώσεις. Εργάζεσαι μόνο με συγκεντρώσεις και, όταν ζητούνται, με $\kc$ ή $\qc$, χωρίς μερικές πιέσεις. Ο έλεγχος πετυχαίνει όταν κάθε αριθμός αντιστοιχεί σε σαφώς ορισμένο μέγεθος και κάθε όγκος που χρησιμοποιείς είναι θετικός.
3. Ξεχωρίζεις την άμεση επιβαλλόμενη μεταβολή από τη μεταγενέστερη μεταβολή λόγω αντίδρασης, επειδή έχουν διαφορετική αιτία. Σε ιδανικό γράφημα, με σταθερή θερμοκρασία και όγκο, εντοπίζεις το στιγμιαίο άλμα της συγκέντρωσης που επηρεάζει η προσθήκη ή αφαίρεση. Σε μεταβολή όγκου επανυπολογίζεις αμέσως όλες τις συγκεντρώσεις των αερίων από τον λόγο ποσότητας προς όγκο. Σε προσθήκη καταλύτη δεν αλλάζεις την τελική σύσταση σε σταθερή θερμοκρασία.
4. Αναγνωρίζεις την ισορροπία από τα κατάλληλα στοιχεία, επειδή μία επίπεδη καμπύλη δεν αρκεί από μόνη της. Σε γράφημα συγκεντρώσεων δέχεσαι τα σταθερά οροπέδια μόνο με τις προϋποθέσεις του κλειστού αμφίδρομου συστήματος που είναι γνωστό ότι φτάνει σε δυναμική χημική ισορροπία. Σε γράφημα ταχυτήτων ελέγχεις ότι οι δύο ταχύτητες γίνονται ίσες και παραμένουν ίσες υπό σταθερές συνθήκες.
5. Συνδέεις τις μεταβολές λόγω αντίδρασης με τους συντελεστές της σταθμισμένης εξίσωσης, επειδή προκύπτουν από την ίδια έκταση αντίδρασης. Ο έλεγχος πετυχαίνει όταν οι μεταβολές ποσοτήτων, ή συγκεντρώσεων σε σταθερό όγκο, έχουν τις σωστές αναλογίες και πρόσημα.
6. Διατυπώνεις την κατεύθυνση της μετατόπισης ή τη σύσταση ισορροπίας που δείχνει το γράφημα ή ο πίνακας. Ελέγχεις ότι το συμπέρασμα συμφωνεί με τις τελικές τιμές, τις μονάδες, τις στοιχειομετρικές αναλογίες και το μέγεθος που παριστάνει κάθε γραμμή ή καμπύλη.

3Γράφημα συγκέντρωσης μετά από προσθήκη

Απαντάς με σύντομο κείμενο σε ερώτηση συνολικού βάρους $6$ μονάδων. Σε κλειστό δοχείο σταθερού όγκου και σταθερής θερμοκρασίας έχει αποκατασταθεί δυναμική χημική ισορροπία. $\chem{H_2}\state{g} + \chem{I_2}\state{g} \eqrxn 2\chem{HI}\state{g}$ Ο οριζόντιος άξονας του γραφήματος είναι ο χρόνος σε $\unit{min}$ και ο κατακόρυφος άξονας η συγκέντρωση σε $\unit{mol\,L^{-1}}$. Η στιγμή της προσθήκης είναι: $t_{\mathrm{p}}=5\,\unit{min}$ Πριν από αυτή τη στιγμή οι υποθετικές τιμές είναι: $\conc{\chem{H_2}\state{g}}=1{,}00\,\unit{mol\,L^{-1}}$ $\conc{\chem{I_2}\state{g}}=1{,}00\,\unit{mol\,L^{-1}}$ $\conc{\chem{HI}\state{g}}=1{,}00\,\unit{mol\,L^{-1}}$ Στη στιγμή της προσθήκης προσθέτεις υποθετικά $\chem{H_2}\state{g}$ χωρίς μεταβολή του όγκου. Μόνο η καμπύλη του $\chem{H_2}\state{g}$ ανεβαίνει αμέσως: $\conc{\chem{H_2}\state{g}}=1{,}70\,\unit{mol\,L^{-1}}$ Στη νέα ισορροπία οι καμπύλες καταλήγουν στις υποθετικές τιμές: $\conc{\chem{H_2}\state{g}}=1{,}60\,\unit{mol\,L^{-1}}$ $\conc{\chem{I_2}\state{g}}=0{,}90\,\unit{mol\,L^{-1}}$ $\conc{\chem{HI}\state{g}}=1{,}20\,\unit{mol\,L^{-1}}$ Ξεχωρίζεις την άμεση μεταβολή, βρίσκεις την κατεύθυνση της μετατόπισης και αιτιολογείς τις νέες τιμές.

Σκέψου το επόμενο βήμα πριν το ανοίξεις.

1. Δείξε το βήμα 1

   Διαβάζεις τις ετικέτες, τις μονάδες, τη στιγμή της προσθήκης και τις σταθερές συνθήκες. Έτσι επιβεβαιώνεις ότι συγκρίνεις συγκεντρώσεις του ίδιου κλειστού αμφίδρομου συστήματος πριν και μετά τη μεταβολή.

2. Δείξε το βήμα 2

   Η άμεση μεταβολή αφορά μόνο το $\chem{H_2}\state{g}$: $\Delta\conc{\chem{H_2}\state{g}}=+0{,}70\,\unit{mol\,L^{-1}}$ Δεν τη χρεώνεις στην αντίδραση, επειδή εμφανίζεται κατακόρυφα τη στιγμή της προσθήκης.

3. Δείξε το βήμα 3

   Από την κατάσταση αμέσως μετά την προσθήκη έως τη νέα ισορροπία βρίσκεις: $\Delta\conc{\chem{H_2}\state{g}}=-0{,}10\,\unit{mol\,L^{-1}}$ $\Delta\conc{\chem{I_2}\state{g}}=-0{,}10\,\unit{mol\,L^{-1}}$ $\Delta\conc{\chem{HI}\state{g}}=+0{,}20\,\unit{mol\,L^{-1}}$

4. Δείξε το βήμα 4

   Οι μεταβολές έχουν αναλογία $-1:-1:+2$, όπως οι συντελεστές της εξίσωσης. Συμπεραίνεις ότι μετά την προσθήκη η αντίδραση εξελίσσεται προς τα δεξιά.

5. Δείξε το βήμα 5

   Ελέγχεις τις δύο καταστάσεις με την έκφραση: $\kc=\frac{\conc{\chem{HI}\state{g}}^2}{\conc{\chem{H_2}\state{g}}\conc{\chem{I_2}\state{g}}}$ Πριν από την προσθήκη η αριθμητική αντικατάσταση είναι: $\frac{(1{,}00)^2}{1{,}00\cdot1{,}00}$ Το αποτέλεσμα είναι: $1{,}00$ Στη νέα ισορροπία η αριθμητική αντικατάσταση είναι: $\frac{(1{,}20)^2}{1{,}60\cdot0{,}90}$ Το αποτέλεσμα είναι: $1{,}00$ Οι υποθετικές τελικές τιμές είναι συνεπείς με την ίδια τιμή της $\kc$ στη σταθερή θερμοκρασία.

6. Δείξε το βήμα 6

   Οι νέες σταθερές τιμές δηλώνουν τη νέα δυναμική χημική ισορροπία, επειδή εξετάζεις κλειστό σύστημα αμφίδρομης αντίδρασης που είναι γνωστό ότι φτάνει σε ισορροπία υπό σταθερές συνθήκες. Οι συγκεντρώσεις δεν χρειάζεται να είναι ίσες. Οι δύο αντίθετες ταχύτητες είναι ίσες και δεν χρειάζεται να είναι μηδενικές.

4Πίνακας ποσοτήτων και συγκεντρώσεων

Θεωρείς κλειστό δοχείο σταθερού όγκου και σταθερής θερμοκρασίας. Χρησιμοποιείς τον υποθετικό όγκο: $V=2{,}0\,\unit{L}$ Εξετάζεις την ομογενή χημική ισορροπία: $\chem{N_2}\state{g} + 3\chem{H_2}\state{g} \eqrxn 2\chem{NH_3}\state{g}$ Ο πίνακας περιέχει υποθετικές ποσότητες σε $\unit{mol}$:

Σκέψου το επόμενο βήμα πριν το ανοίξεις.

1. Δείξε το βήμα 1

   Αναγνωρίζεις ότι ο πίνακας δίνει ποσότητες και ότι ο όγκος είναι θετικός. Δεν χρησιμοποιείς τις ποσότητες ως συγκεντρώσεις.

2. Δείξε το βήμα 2

   Εφαρμόζεις την κοινή έκταση αντίδρασης: $\Delta n\left(\chem{N_2}\state{g}\right)=-0{,}40\,\unit{mol}$ $\Delta n\left(\chem{H_2}\state{g}\right)=-1{,}20\,\unit{mol}$ $\Delta n\left(\chem{NH_3}\state{g}\right)=+0{,}80\,\unit{mol}$

3. Δείξε το βήμα 3

   Προσθέτεις κάθε προσημασμένη μεταβολή στην αντίστοιχη αρχική ποσότητα και συμπληρώνεις τη γραμμή ισορροπίας: $n\left(\chem{N_2}\state{g}\right)=1{,}00\,\unit{mol}+\left(-0{,}40\,\unit{mol}\right)=0{,}60\,\unit{mol}$ $n\left(\chem{H_2}\state{g}\right)=3{,}00\,\unit{mol}+\left(-1{,}20\,\unit{mol}\right)=1{,}80\,\unit{mol}$ $n\left(\chem{NH_3}\state{g}\right)=0{,}00\,\unit{mol}+\left(+0{,}80\,\unit{mol}\right)=0{,}80\,\unit{mol}$

4. Δείξε το βήμα 4

   Διαιρείς κάθε ποσότητα ισορροπίας με τον όγκο: $\conc{\chem{N_2}\state{g}}=\frac{0{,}60\,\unit{mol}}{2{,}0\,\unit{L}}=0{,}30\,\unit{mol\,L^{-1}}$ $\conc{\chem{H_2}\state{g}}=\frac{1{,}80\,\unit{mol}}{2{,}0\,\unit{L}}=0{,}90\,\unit{mol\,L^{-1}}$ $\conc{\chem{NH_3}\state{g}}=\frac{0{,}80\,\unit{mol}}{2{,}0\,\unit{L}}=0{,}40\,\unit{mol\,L^{-1}}$

5. Δείξε το βήμα 5

   Ελέγχεις ότι οι ποσότητες ισορροπίας όλων των ουσιών είναι θετικές και ότι οι μεταβολές ακολουθούν την αναλογία $-1:-3:+2$. Έτσι ο πίνακας, οι μονάδες και η σταθμισμένη εξίσωση συμφωνούν.

5Συνηθισμένα λάθη

• Θεωρείς ότι μία επίπεδη καμπύλη αποδεικνύει από μόνη της δυναμική χημική ισορροπία. Το εντοπίζεις όταν λείπουν οι δηλωμένες συνθήκες κλειστού αμφίδρομου συστήματος γνωστού ότι φτάνει σε ισορροπία. Έλεγξε τις προϋποθέσεις του συστήματος ή χρησιμοποίησε κατάλληλο γράφημα ταχυτήτων για πρόσθετη ένδειξη.
• Θεωρείς ότι οι συγκεντρώσεις όλων των ουσιών είναι ίσες στην ισορροπία. Το εντοπίζεις όταν εξισώνεις διαφορετικά οροπέδια. Ελέγχεις την ισότητα των αντίθετων ταχυτήτων και επιτρέπεις διαφορετικές σταθερές συγκεντρώσεις.
• Αποδίδεις το άμεσο άλμα στην αντίδραση. Το εντοπίζεις όταν μετράς τη μεταβολή λόγω αντίδρασης από την παλιά ισορροπία. Ξεκινάς τη στοιχειομετρική μεταβολή από την κατάσταση αμέσως μετά την επέμβαση.
• Σε μεταβολή όγκου αλλάζεις αμέσως μόνο μία συγκέντρωση αερίου. Το εντοπίζεις όταν δεν εφαρμόζεις τον λόγο ποσότητας προς όγκο σε όλα τα αέρια. Επανυπολογίζεις πρώτα όλες τις συγκεντρώσεις των αερίων.
• Μεταβάλλεις την τελική σύσταση επειδή προστέθηκε καταλύτης. Το εντοπίζεις όταν αλλάζεις τα τελικά οροπέδια σε σταθερή θερμοκρασία. Κρατάς την ίδια τελική σύσταση και αλλάζεις μόνο τον χρόνο αποκατάστασης της ισορροπίας.
• Χρησιμοποιείς ποσότητες ως συγκεντρώσεις. Το εντοπίζεις από τις μονάδες ή από την απουσία διαίρεσης με θετικό όγκο. Μετατρέπεις κάθε ποσότητα σε συγκέντρωση πριν τη χρησιμοποιήσεις ως τέτοια.
• Αφαιρείς μία ήδη αρνητική μεταβολή από την αρχική ποσότητα. Το εντοπίζεις όταν η τελική γραμμή δεν ισούται με το αλγεβρικό άθροισμα αρχικής και προσημασμένης μεταβολής. Πρόσθεσε αλγεβρικά κάθε προσημασμένη μεταβολή στην αρχική ποσότητα.
• Δίνεις ανεξάρτητες μεταβολές στις ουσίες του πίνακα. Το εντοπίζεις όταν οι μεταβολές δεν ακολουθούν τους συντελεστές της εξίσωσης. Χρησιμοποιείς μία κοινή έκταση αντίδρασης και ελέγχεις τα πρόσημα.
• Δέχεσαι αρνητική τελική ποσότητα για κάποια ουσία του πίνακα. Το εντοπίζεις ελέγχοντας όλες τις τελικές γραμμές. Απόρριψε την έκταση όταν δίνει αρνητική ποσότητα και απαίτησε θετική συγκέντρωση όπου εμφανίζεται σε παρονομαστή.
• Χρησιμοποιείς μερικές πιέσεις αντί για συγκεντρώσεις. Το εντοπίζεις όταν η λύση εγκαταλείπει το επιτρεπόμενο μοντέλο συγκεντρώσεων. Επιστρέφεις στα δεδομένα συγκέντρωσης, στην $\kc$ ή στην $\qc$.

6Ενδεικτικό κριτήριο

• Ελέγχεις το κλειστό σύστημα αμφίδρομης αντίδρασης, τις σταθερές συνθήκες και την πληροφορία ότι το σύστημα φτάνει σε δυναμική χημική ισορροπία.

• Αναγνωρίζεις σωστά άξονες, μονάδες, ουσίες και χρόνο μεταβολής ή διακρίνεις ποσότητες από συγκεντρώσεις στον πίνακα, χωρίς να χρησιμοποιείς μερικές πιέσεις.

• Ξεχωρίζεις την άμεση επιβαλλόμενη μεταβολή από τη μεταγενέστερη μεταβολή λόγω αντίδρασης.

• Χρησιμοποιείς το κατάλληλο κριτήριο ισορροπίας χωρίς να εξισώνεις τις συγκεντρώσεις ή να βασίζεσαι μόνο σε μία επίπεδη καμπύλη.

• Συνδέεις τις μεταβολές λόγω αντίδρασης με τους συντελεστές της σταθμισμένης εξίσωσης και προσθέτεις σωστά τις προσημασμένες μεταβολές.

• Ελέγχεις ότι ο όγκος είναι θετικός και ότι οι τελικές ποσότητες ή συγκεντρώσεις είναι αποδεκτές για όλες τις ουσίες του προβλήματος.

• Δίνεις το ζητούμενο συμπέρασμα και το ελέγχεις με τις τιμές, τις μονάδες, τις στοιχειομετρικές αναλογίες και το είδος των δεδομένων.