שיווי משקל כימי 1 חלק א' נושאי השיעור מאפיינים של מצב שיווי משקל השפעת זרז וחימום על מערכת במצב שיווי משקל קבוע שיווי המשקל וחישובו תרגילים סימולציות במצגת: אנימציה- גרף ריכוזים של מערכת המגיעה לשיווי משקל סימולציה הגעת מערכת למצב שיווי-משקל, מטח
הצגת מצב שיווי משקל תגובות כימיות רבות אינן מתרחשות עד תום בתנאים מסוימים. ברמה המ קרוסקופית, נראה שהתגובה נעצרה אף שכל המגיבים עדיין מצויים במערכת. תצפית על המערכת מראה שלא ניכרים שינויים בריכוזי מרכיבי המערכת. ההסבר לכך הוא שבכלי התגובה מתרחשות שתי התגובות ההפוכות : מגיבים הופכים לתוצרים ותוצרים הופכים למגיבים בקצב שווה. מצב זה נקרא: מצב שיווי משקל, ומסמלים אותו בתגובה בעזרת ח צים דו- כיווניים. דוגמה: נתונה תגובת יצירת אמוניה: N (g) + 3H (g) NH 3(g) כאשר מכניסים לכלי סגור 3 מול מימן 1 מול חנקן מתקבלים רק 0.8 מול אמוניה על פי יחסי האיזון, היה צפוי שיתקבלו מול תוצרים, אך התקבלו רק 0.8 מול. התגובה לא התרחשה עד תום כי היא הגיעה למצב שיווי משקל!
המאפיינים של מצב שיווי משקל 3 ברמה מ קרוסקופית: שיווי משקל מתקבל רק במערכת סגורה. במצב שווי משקל יש בכלי תערובת של מגיבים ותוצרים. הריכוז של כל אחד ממרכיבי המערכת קבוע לאורך זמן. אפשר להגיע למצב שיווי משקל ממגיבים שניהם. בלבד או מתוצרים בלבד, או מתערובת של ברמה מיקרוסקופית: מתקיימות שתי תגובות הפוכות זו לזו בו-בזמן ובקצב שווה. קיימת דינמיות כל הזמן יש התנגשויות בין מולקולות. כל המולקולות והתצמידים המשופעלים מתפרקים ונוצרים כל הזמן, אף שריכוזם קבוע.
תיאור גרפי למערכת המגיעה לשיווי משקל הכניסו לכלי סגור בנפח 1 ליטר 0.8 מול (g).hi לאחר זמן-מה לא נצפה שינוי ריכוזים. בכלי 0.1 מול מכל אחד מן התוצרים ו- 0.6 מול מגיב. נמצאו HI (g) H (g) + I (g) ]HI] [H ] ]I [ 0.8 0 0 )M( ריכוז התחלתי - -0. +0.1 +0.1 השינוי בריכוז עד ש"מ )M( 0.8-0. = 0.6 0.1 0.1 )M( ריכוז במצב ש"מ - 0.8 0.6 0.1 4 ריכוז מולר -0. +0.1 HI (g) H (g), I (g) בתחילה הוכנס לכלי רק HI והחלה תגובה ישירה מהירה להיווצרות H ו- I. כשנוצרו מעט מן התוצרים H ו-, I החלה בו בזמן תגובה הפוכה ליצירת.HI ככל שריכוז "התוצרים" גדל, הלך וגבר הקצב של התגובה ההפוכה. בו בזמן, קטן קצב התגובה הישירה, כי ריכוז "המגיב" קטן. כאשר קצב התגובה הישירה וההפוכה משתווים, הגרפים מתיישרים, ומושג מצב שיווי משקל. החומרים מגיבים ונוצרים על פי יחסי האיזון. זמן
5 גרף שינוי קצב התגובה והגעה לש.מ. בגרף זה אפשר לעקוב אחרי שינוי קצב התגובות, הישירה וההפוכה. כמו שהוסבר, בהתחלה, התגובה הישירה מהירה, ואחר כך הקצב שלה יורד )ריכוז "המגיבים" קטן(. לעומתה, התגובה ההפוכה מתחילה מקצב אפס כי למערכת לא הוכנסו תוצרים. הקצב שלה גדל )ריכוז "התוצרים" גדל( עד הגעה למצב שיווי משקל, שבו קצב התגובה הישירה משתווה לקצב התגובה ההפוכה. קצב תגובה תגובה ישירה A (g) + B (g) ---> AB (g) זמן זמן הגעה לשיווי משקל תגובה הפיכה AB (g) ---> A (g) + B (g)
6 שאלה 1 שאלה 1: נתונה התגובה: (g).a (g) B לכלי בנפח 1 ליטר הכניסו 3 מול.A במצב שיווי משקל נמצאו במערכת 0.5 מול B. ציירו גרף איכותי המתאר את שינוי הריכוז של מרכיבי המערכת כפונקציה של הזמן. רמז: ציירו תחילה טבלה מסכמת של שינוי הריכוזים במערכת.
7 תשובה לשאלה 1 שאלה 1: נתונה התגובה: (g).a (g) B לכלי בנפח 1 ליטר הכניסו 3 מול.A במצב שיווי משקל נמצאו במערכת 0.5 מול B. ציירו גרף איכותי המתאר את שינוי הריכוז של מרכיבי המערכת כפונקציה של הזמן. A (g) B (g) תשובה: ]A[ ]B[ 3.5 ריכוז (M) -0.5 A (g) 3-0.5 3-0.5 =.5 0 +0.5 X = 0.5 הוכנסו לכלי )M( השינוי בריכוז )M( במצב ש.מ. נמצאים )M( 0.5 +0.5 B (g) )דקות( זמן
8 שאלה נוסף על שאלה : נתונה התגובה: (g). A (g) + B (g) C לכלי בנפח 1 ליטר הכניסו מול. C בשיווי משקל, נמצא שהיו במערכת 0.5 מול C המרכיבים האחרים של התגובה. ציירו גרף ריכוז כנגד זמן בעבור התהליך שהתרחש. רמז: ציירו תחילה טבלה מסכמת של שינוי הריכוזים במערכת.
9 תשובה לשאלה נוסף על שאלה : נתונה התגובה: (g). A (g) + B (g) C לכלי בנפח 1 ליטר הכניסו מול. C בשיווי משקל, נמצא שהיו במערכת 0.5 מול C המרכיבים האחרים של התגובה. ציירו גרף ריכוז כנגד זמן בעבור התהליך שהתרחש. תשובה: (g) A (g) + B (g) C [A] ]B[ ]C[ ריכוז M ( M )ריכוז A (g) 0 +1.5 1.5 0 +0.75 0.75-1.5 0.5 הוכנסו לכלי השינוי במצב ש.מ. נמצאים 1-1.5 +1.5 B (g) C (g) +0.75 זמן
10 קבוע שיווי המשקל התגלתה חוקיות הנוגעת ליחס בין ריכוזי התוצרים ובין ריכוז המגיבים במצב שווי משקל. חוקיות זו מתבטאת בגודל הנקרא קבוע שווי משקל Kc הגדרתו היא מתמטית : למשל - A(g) + B(g) <====> C(g) לתגובה: K [C] [A] [B] קבוע שיווי משקל: Kc תלוי בניסוח התגובה ובטמפרטורה בלבד בכל טמפרטורה יש לאןותה תגובה Kc שונה!!!
11 משמעות הקבוע. קבוע שיווי המשקל הוא מאפיין של תגובה בטמפרטורה מסויימת אם הקבוע הוא מספר גדול מאוד, פירוש הדבר שהתגובה רבה - מתקבל מצב שיווי משקל עם ריכוז תוצרים גבוה יחסית הישירה למגיבים. מתרחשת במידה אם הקבוע הוא מספר קטן מאוד )שבר קטן(, פירוש הדבר שהתגובה הישירה מתרחשת מעט ומגיעה למצב שיווי משקל שבו ריכוז המגיבים גבוה יחסית לריכוז תוצרים ככל שקבוע שיווי המשקל הוא בעל ערך גדול יותר, כך במצב שווי משקל יהיו יותר תוצרים ופחות מגיבים, ולהפך. שימו! אין קשר בין גודלו של הקבוע )המבטא את מידת התרחשות התגובה( לבין מהירות התגובה! דוגמה אפשרי מצב שהתגובה תתרחש במהירות כלומר, היא תגיע מהר למצב שיווי משקל, אך קבוע שיווי המשקל יהיה קטן,כלומר, יהיו במערכת מעט תוצרים, ולהפך.
1 שאלה 4 שאלה 3: השאלה עוסקת בתגובה: N (g) + 3H (g) <==> NH 3(g) לכלי בנפח ליטר הכניסו מול מולקולות חנקן ו- 6 מול מולקולות מימן. התקבלו 1.6 מול מולקולות אמוניה. א. האם הלחץ במערכת יעלה/ירד/לא ישתנה במהלך התגובה? נמקו. ב. חשבו את Kc למצב שיווי המשקל.
13 תשובה לשאלה 3 1.6 שאלה 3: השאלה עוסקת בתגובה: N (g) + 3H (g) <==> NH 3(g) לכלי בנפח ליטר הכניסו מול מולקולות חנקן ו- 6 מול מולקולות מימן. התקבלו מול מולקולות אמוניה. א. האם הלחץ במערכת יעלה/ירד/לא ישתנה במהלך התגובה. ב. חשבו את Kc למצב שיווי המשקל. נמקו. תשובה: א. הלחץ במערכת ירד היות שבמהלך התרחשות התגובה נוצרים מ- 4 מול גז מגיבים רק מול תוצרים. הלחץ מושפע מכמות החלקיקים בכלי התגובה. [N ] 1 [H ] 3 [NH 3 ] 0 ב. ריכוז החומרים )M( ריכוז התחלתי (M) -0.4-1. +0.8 השינוי לפי יחסי האיזון )M( 1-0.4 = 0.6 3-1.=1.8 0.8 ריכוז בשיווי משקל )M) [NH3] 1 [N ] [H 0.8 K 3 ] 0.6 1.8 3 0.183
14 מנת ריכוזים - Q מנת הריכוזים - Q - היא יחס הריכוזים במערכת התגובה ברגע נתון. היא מתקבלת על ידי הצבת ריכוזי החומרים במערכת ברגע נתון, בביטוי של קבוע שיווי המשקל, גם כאשר המערכת איננה בשיווי משקל. משמשת Q שיווי משקל. לזיהוי מצב המערכת. בעזרתה אפשר לקבוע אם המערכת נמצאת במצב אם היא איננה בשיווי משקל, לאיזו תגובה יש קצב גדול יותר ברגע הבדיקה ( מי התגובה המועדפת(? - המערכת אם Q = K בשיווי משקל. ( תגובה - אם Q <K תוצרים יותר יש יחסית למגיבים, והמערכת ת ט ה למגיבים הפוכה.K=Q מועדפת( עד השגת שיווי משקל כלומר, עד שיתקיים ( - Q > אם K מגיבים יותר יש יחסית לתוצרים, והמערכת ת ט ה לתוצרים תגובה ישירה.K=Q מועדפת( עד השגת שיווי משקל. כלומר, עד שיתקיים
15 שאלה 5 שאלה 4: נתון : H (g) + Cl (g) ---> HCl (g) Kc=100 לכלי בנפח 1 ליטר הכניסו 1 מול מימן, 1 מול כלור ו- 1 מול מימן כלורי. א. האם המערכת נמצאת בשיווי משקל? נמקו. ב. אם לא, לאיזה כיוון מתרחשת התגובה ( מי התגובה המועדפת(? נמקו. ג. האם יהיה שינוי בלחץ המערכת מרגע ערבוב החומרים? נמקו. * ד. מהם הריכוזים של מרכיבי המערכת בשיווי משקל? פרטו חישובים. )אתגר(
ד* 16 תשובה לשאלה 5 שאלה 4: H (g) + Cl (g) ---> HCl (g) K=100 לכלי בנפח 1 ליטר הכניסו 1 מול מימן א. האם המערכת נמצאת בשיווי משקל? ב. אם לא, לאיזה כיוון מתרחשת התגובה?, 1 מול כלור ו- 1 מול מימן כלורי. נמקו. נמקו. ג. האם יהיה שינוי בלחץ המערכת לאחר ערבוב החומרים?. מהם הריכוזים של מרכיבי המערכת בשיווי משקל? תשובה: א. כדי לדעת אם המערכת בשיווי משקל יש לחשב את Q [HCl] Q [H ] [Cl 1 1 ] 1 1 נמקו. פרטו חישובים. )אתגר( ולהשוותו ל- K שיווי משקל. 1=Q והוא קטן מ- 100=K. כלומר, המערכת איננה נמצאת במצב שיווי משקל. ב. התגובה צריכה להתרחש לכיוון התוצרים, כדי שמנת הריכוזים תגדל ותשתווה ל- 100. תגובה ישירה מועדפת עד ש"מ. ג. לא יהיה שינוי בלחץ. כמות המולים של המגיבים שווה לכמות המולים של התוצרים. הלחץ נמצא ביחס ישר לכמות המולים.
*המשך תשובה לשאלה 5 ד' שאלה 4 ד': H (g) + Cl (g) <==> HCl (g) K=100 לכלי בנפח 1 ליטר הכניסו 1 מול מימן, 1 מול כלור ו- 1 מול מימן כלורי. מפתרון החלק הראשון עולה שהמערכת אינה בשיווי משקל והיא נוטה לכוון התוצרים. ד. מהם הריכוזים של מרכיבי המערכת בשיווי משקל? פרטו חישובים. [H ] 1 -X [Cl ] 1 -X [HCl] 1 +X תשובה: ד. ניעזר בטבלת הריכוזים לחישוב, ונציב בביטוי ל-.Kc ריכוזי החומרים M ריכוז התחלתי M השינוי לפי יחסי האיזוןM 1-X 1-X 1+X ריכוז בשיווי משקל )M) [HCl] (1 X) (1 X) K 100 [H ][Cl ] (1 X) (1 X) (1 X) (1 X) 10 1 X 10(1 X) 1 X 10 10X 1 X 9 1X X 0.75 17 נציב את X שקיבלנו בריכוזים בש"מ: )הפתרון השני נותן תשובה לא הגיונית( [H ]=[Cl ] = 1-X = 1-0.75 = 0.5M [HCl] = 1+X = 1+1.5 =.5M
18 שאלה 5 שאלה 5: A (g) +B (g) <===> C (g) לכלי בנפח 1 ליטר הכניסו 5 מול C ו- מול B. במצב שיווי משקל, נמצאו במערכת 0.5 מול A. א. שרטטו גרף שיתאר את השינוי בריכוזים של מרכיבי המערכת עד הגעתה למצב שיווי משקל. ב. חשבו את Kc קבוע שיווי משקל.
19 תשובה לשאלה 6 שאלה 5: A (g) +B (g) <===> C (g) לכלי בנפח 1 ליטר הכניסו 5 מול C ו- מול B. במצב שיווי משקל נמצאו במערכת 0.5 מול A. א. שרטטו גרף שיתאר את השינוי בריכוזים של מרכיבי המערכת עד הגעתה למצב שיווי משקל. ב. חשבו את Kc קבוע שיווי משקל. A (g) + B (g) <=> C (g) [A] [B] [C] 0 5 תשובה: א. ב. ריכוזי החומרים M ריכוז התחלתי M 5 ריכוז M C -x +0.5 +0.5-0.5 השינוי לפי יחסי האיזון 0.5.5 ריכוז בשיווי משקל) M ) 4.75 B X K 0.5 4.75 0.5.5 3.04 A +x +x זמן
0 סיכום סיכום: תגובות רבות יכולות להגיע למצב שיווי משקל כאשר הן מתבצעות במערכת סגורה. מצב שיווי משקל מאופיין בקביעות מ קרוסקופית ודינמיות מ קרוסקופית. בטמפרטורה קבועה יש לאותה תגובה אותו קבוע Kc ללא קשר לריכוזים ההתחלתיים. אפשר לחשב את הריכוזים במצב שיווי משקל בעזרת הנתונים ההתחלתיים וקבוע שיווי המשקל. חישוב מנת הריכוזים Q, מאפשר לנו לדעת אם המערכת מצויה במצב שיווי משקל. אם היא אינה במצב שיווי משקל, אפשר לנבא בעזרתה את הכיוון שהמערכת ת ט ה אליו. אם במהלך התגובה המועדפת יש ירידה במספר מולקולות הגז, הלחץ בכלי יורד עד הגעה לשווי-משקל, ולהפך. אם במהלך התגובה המועדפת מספר מולי הגז נשאר קבוע, הלחץ בכלי לא משתנה,בין שיש או אין שווי משקל. מושגים חשובים: מצב שיווי משקל, קבוע שיווי משקל, מנת ריכוזים