שיווי משקל סיכום שיווי משקל )ש"מ( כימי עוסק בתגובות הפיכות תגובות העשויות להתרחש בשני הכיוונים: תגובה ישירה )ממגיבים לתוצרים( ותגובה הפוכה )מתוצרים למגיבים(. הסיבה לכך היא שבכלי סגור, כאשר התוצרים לא יכולים "לברוח", התצמיד המשופעל יכול להיווצר, הן מהתנגשויות בין חלקיקי המגיבים והן מהתנגשויות בין חלקיקי התוצרים. במקרה בו התחילו תגובה מהכנסת מגיבים בלבד לכלי התגובה, אפשר יהיה להבחין בשלושה מצבים : מצב התחלתי בכלי נמצאים מגיבים בלבד. מהירות התגובה הישירה גבוהה, ומהירות התגובה ההפוכה זניחה. שינוי עד להשגת שיווי משקל ריכוז התוצרים עולה וריכוז המגיבים יורד עם התקדמות התגובה. קצב התגובה הישירה יורד בהדרגה ( בשל ירידה בריכוז המגיבים עם הזמן, וקצב התגובה ההפוכה עולה עם הזמן. ( בשל עלייה בריכוז התוצרים עם הזמן ) שיווי משקל דינמי מתקבל כאשר, קצב התגובה הישירה משתווה לקצב התגובה ההפוכה. במצב זה כל הזמן מגיבים הופכים לתוצרים, ותוצרים הופכים למגיבים, באותו קצב. כך שבמצב שווי- משקל ריכוזי המגיבים והתוצרים נשארים קבועים ולא משתנים עוד. ייצוג גרפי של תהליך שיווי משקל הגרף מציג את השתנות הריכוזים של המערכת כנגד הזמן )או התקדמות התגובה(: התגובה: B(g) A(g) ריכוז הייצוג הגרפי יהיה: B(g) A(g) זמן aa(g) + bb(g) [C [D (g) ] d (g) ] c Kc = [A [B (g) ] b (g) ] a קבוע שיווי משקל, K cc(g) + dd(g) עבור התגובה: ביטוי קבוע שיווי המשקל הוא:
מאפייני מצב שווי משקל כימי א. ב..1 מאפיינים מאקרוסקופיים : 1. מתקיים רק בכלי סגור. 2. ניתן להגיע למצב זה מכל הרכב התחלתי : מגיבים בלבד, תוצרים בלבד, או תערובת מגיבים ותוצרים. 3. בש"מ אין שינוי בריכוזי החומרים וגם לא באף תכונה מקרוסקופית של המערכת כמו : לחץ, צבע, מוליכות, PH... וכו'. 4. בכלי התגובה יש תערובת מגיבים ותוצרים כשבטמפרטורה נתונה היחס ביניהם קבוע Kc( ) מאפיינים מיקרוסקופיים שווי משקל הוא דינאמי. שתי התגובות ממשיכות להתרחש, כשקצב התגובה הישירה שווה לקצב התגובה ההפוכה, התצמיד המשופעל נוצר הן במהלך התגובה הישירה והן במהלך התגובה ההפוכה באותו קצב. Q מנת הריכוזים הביטוי ל Q זהה לביטוי ל, Kc אך בעוד ב Kc מוצבים אך ורק ריכוזי מצב ש"מ, ב Q מוצבים ריכוזי החומרים בכל זמן נתון. השוואת Q ל Kc מאפשרת לקבוע מי מהתגובות מועדפת ( מהירה יותר ) ברגע נתון, ועד ש"מ במידה ועדיין לא הושג, והאם מתקיים ברגע כלשהו מצב ש"מ. כללים להשוואה : Q < Kc קצב התגובה הישירה גדול יותר מקצב התגובה ההפוכה. המונה יגדל ( ריכוז התוצרים יגדל( והמכנה יקטן ( ריכוז המגיבים יקטן ) עד להשגת ש"מ חדש. Q >Kc. 2 קצב התגובה ההפוכה גדול יותר מקצב התגובה הישירה. המונה יקטן ( ריכוז התוצרים יקטן ) והמכנה יגדל ( ריכוז המגיבים יגדל( עד להשגת ש"מ חדש.. 3 Q Kc = מתקיים ש"מ בכלי, קצב שתי התגובות ישירה והפוכה שווה. הערה: אם במהלך התגובה המועדפת מספר מולי הגז גדל ( לפי השוואה בין המקדמים בניסוח התגובה ) הלחץ בכלי יגדל עד ש"מ, ולהפך. אם סכום המקדמים במגיבים ובתוצרים זהה לא יגרם שינוי בלחץ, בין שהושג או לא הושג ש"מ.
שינויי תנאים ( הפרעות לשווי משקל( במערכת הנמצאת בשיווי משקל K c ( בטמפרטורה קבועה ) א. שינוי ריכוז אחד החומרים ערכו של נשמר [ מגיבים ] / ]תוצרים ] = Q חיזוי תוצאות השינוי לפי השוואת Q ל Kc בהגדלת ריכוז מגיב ( הגדלת המכנה ), Kc Q < בהקטנת ריכוז תוצר ( הקטנת מונה ) Kc Q < קצב התגובה הישירה גדול יותר. עד להשגת ש"מ חדש - ריכוז המגיבים יורד וריכוז התוצרים עולה..1 בהקטנת ריכוז מגיב ( הקטנת המכנה ) >Kc, Q בהגדלת ריכוז תוצר ( הגדלת מונה ) חיזוי תוצאות השינוי Q > Kc מבוא : קצב התגובה ההפוכה גדול יותר. עד להשגת ש"מ חדש. - ריכוז לפי תיאוריית ההתנגשויות : ( רמת מיקרו( הגדלת ריכוז של אחד מחומרי התגובה במצב ש"מ בין חלקיקיו ובין יתר החלקיקים עימם הוא מגיב במהלך תגובה זו המגיבים עולה וריכוז התוצרים יורד - גדל - גדל מספר ההתנגשויות ביחידת זמן הסיכוי להתנגשויות פוריות קצב התגובה בה הוא משתתף יחסית לתגובה ההפוכה לתגובה זו - גדל. בהדרגה, כיוון שריכוזו יורד עקב השתתפותו בתגובה המועדפת, קצב התגובה בה הוא משתתף יורד וקצב התגובה ההפוכה לתגובה זו יעלה, כיוון שריכוזי החומרים באגף השני - יעלו, עד להשגת שוויון בקצב שתי התגובות והגעה לש"מ חדש. בהקטנת ריכוז אחד החומרים המצב הפוך..2 פרוט השינויים : הגדלת ריכוז מגיב הקטנת ריכוז תוצר מס' ההתנגשויות ביח' זמן בין מולקולות המגיבים יגדל, כך יגדל גם הסיכוי להתנגשויות הפוריות במהלך התגובה הישירה. מס' ההתנגשויות ביח' זמן בין מולקולות התוצרים יקטן, כך יקטן גם הסיכוי להתנגשויות הפוריות במהלך התגובה ההפוכה. קצב התגובה הישירה גדול מקצב התגובה ההפוכה. ריכוז המגיבים ירד וריכוז התוצרים יעלה עד להשגת ש"מ חדש במערכת הקטנת ריכוז מגיב הגדלת ריכוז תוצר מס' ההתנגשויות ביח' זמן בין מולקולות המגיבים יקטן, כך יקטן גם הסיכוי להתנגשויות הפוריות במהלך התגובה הישירה. מס' ההתנגשויות ביח' זמן בין מולקולות התוצרים יגדל, כך יגדל גם הסיכוי להתנגשויות הפוריות במהלך התגובה ההפוכה. קצב התגובה ההפוכה גדול מקצב התגובה הישירה. ריכוז תוצרים יקטן וריכוז המגיבים יגדל עד להשגת ש"מ חדש במערכת
הערות. I הוספת חומרים במצב גזי תמיד מגדילה את הלחץ בכלי ברגע ההוספה, בשל תוספת מולקולות גז לכלי. אם נגרמה הפרעה לש"מ ואחת מהתגובות תהיה המועדפת, הלחץ עשוי להשתנות, כפי שהוסבר בהערה הקשורה למנת הריכוזים. בהקטנת ריכוז חומר במצב גזי להפך!.1.II בש"מ החדש שייווצר, קצבי התגובות ישירה והפוכה - משתווים. ריכוזי החומרים שונים מאלה שהיו בש"מ הקודם אך ערכו של קבוע ש"מ Kc נותר ללא שינוי.. III בגרף של שינוי ריכוז במצב ש"מ מבחינים בשינוי פתאומי בריכוזו של אחד החומרים, ריכוזי שאר החומרים ישתנו בהדרגה עד ש"מ. ב. השפעת הטמפרטורה על מצב ש"מ עיקרון לה-שטלייה עיקרון לה-שטלייה כאשר נגרמת הפרעה למצב שיווי משקל, תתרחש במערכת תגובה שתביא אותה שנית למצב שיווי משקל, תוך הקטנת ההפרעה שנעשתה למערכת. שינוי בטמפרטורה שינו טמפרטורה במצב ש"מ מהווה תמיד הפרעה לש"מ. השוויון בקצב שתי התגובות מופר. 1. חימום התגובה שתועדף עד להשגת ש"מ חדש במערכת היא התגובה האנדותרמית. כיוון שעפ"י עקרון לה שטליה תועדף התגובה המקררת, אשר מורידה את הטמפרטורה וזו התגובה האנדותרמית. ש"מ חדש יושג תוך זמן קצר מזה שנדרש להשגת ש"מ בטמפ' בה הייתה המערכת לפני השינוי בשל עליה בקצב שתי התגובות. 2. קירור - התגובה שתועדף עד להשגת ש"מ חדש במערכת היא התגובה האקסותרמית. כיוון שעפ"י עקרון לה שטליה תועדף התגובה המחממת, אשר מעלה את הטמפרטורה וזו התגובה האקסותרמית.ש"מ חדש יושג תוך זמן ארוך מזה שנדרש להשגת ש"מ בטמפ' בה הייתה המערכת לפני השינוי, בשל ירידה בקצב שתי התגובות. ערכו של Kc משתנה עם שינוי הטמפרטורה בשינוי טמפרטורה Kc משתנה. אם התגובה הישירה ( לפי ניסוח התגובה ) היא המועדפת Kc יגדל. אם התגובה ההפוכה ( לפי ניסוח התגובה ) נעשתה מועדפת Kc יקטן. בתגובה אנדותרמית ערכו של Kc ישתנה ביחס ישר לטמפ' )יעלה עם עלייתה, וירד עם ירידתה(. בתגובה אקסותרמית ערכו של Kc ישתנה ביחס הפוך לטמפ' )ירד עם עלייתה, ויעלה עם ירידתה(. הערות *. 1 אין קשר בין ערכו של Kc ובין זמן ההגעה לש"מ, הוא רק קובע את היחס בין ריכוזי תוצרים והמגיבים במצב ש"מ, ואינו קובע כעבור כמה זמן המערכת תגיע לש"מ.
. 2 בגרף של שינוי ריכוז עם הזמן הכולל שינוי טמפרטורה במצב ש"מ, רואים שינוי הדרגתי בריכוזים של כל חומרי התגובה ולא שינוי פתאומי. להלן טבלה המסכמת את השפעת שינוי הטמפרטורה Kc סוג התגובה הישירה שינוי הטמפרטורה התגובה המועדפת השפעה על חימום ישירה יגדל אנדותרמית קירור הפוכה יקטן H > 0 חימום הפוכה יקטן אקסותרמית קירור ישירה יגדל H < 0 ג.. הוספת זרז ( בטמפרטורה קבועה ). אינה מהווה הפרעה לש"מ. אם מוסיפים את הזרז למערכת לפני קבלת ש"מ, יושג מצב ש"מ תוך פרק זמן קצר יותר. הוספת זרז למערכת בש"מ תגביר את קצב התגובה הישירה וההפוכה באותה מידה, ולא תשפיע על ש"מ של המערכת. ערכו של Kc נשמר. * הערה : בגרף של שינוי ריכוז עם הזמן - עם ובלי זרז )שהוסף בתחילת התגובה ), רואים שעם זרז זמן ההגעה לש"מ התקצר, אך ערכו של Kc נשמר. אם התגובה החלה מאותם ריכוזים התחלתיים אז גם ריכוזי ש"מ בשני הכלים - יהיו זהים.. משמעות של ערכו של Kc ככל ש Kc של תגובה )תואם לתגובה הישירה בניסוח התגובה ) גדול יותר, ריכוז התוצרים במצב ש"מ, יהיה גבוה יותר וריכוז המגיבים נמוך יותר, ולהפך. אם Kc מאד גדול ( יותר מ 10 10 - המשמעות היא : בכלי יהיו במצב ש"מ בעיקר תוצרים וריכוז המגיבים - זניח. זהו מקרה שבו התגובה למעשה התפתחה עד תום.) אין להסיק מכך לגבי הקצב שלה( אם Kc מאד קטן ( פחות מ 10-10 - המשמעות היא : בכלי יהיו במצב ש"מ בעיקר מגיבים וריכוז התוצרים - זניח. זהו מקרה שבו התגובה למעשה לא התרחשה. אם בפועל כאשר דגימה. 10-10 > Kc > > Kc > 10 3 10 10 : במצב ש"מ יש תערובת של מגיבים ותוצרים. 10-3 בתחומי Kc אחרים הדבר קשה לביצוע. ( בערך ), אפשר למדוד את ריכוזי ש"מ ע"י הוצאת
הערות : 1. תגובה אנדותרמית ( הישירה ) עדיף לבצע בטמפרטורות גבוהות כדי להגדיל את Kc ולקבל יותר תוצרים. תגובה אקסותרמית עדיף לבצע בטמפרטורות נמוכות כדי להגדיל את Kc ולקבל יותר תוצרים,אך יהיה לכך חיסרון והוא הורדת קצב התגובה..2 בהצלחה! אידה.