Реакции в равновесие

Всички реакции, които разглеждахме досега, бяха от вида малка буква 'а' за моловете от главно 'А' за молекулите плюс малка буква 'b' от молекулите главна буква 'B'. Те реагират и образуват някакви продукти. Нека да имаме няколко продукта. Мога да имам толкова молекули, колкото искам. Нека да имам ''c'' мола от молекулата 'С' плюс 'd' мола от молекулата 'D'. Тази реакция е еднопосочна. И ако направим енергийна диаграма като във видеото за кинематика, което току-що направих, ако това е реакцията, когато реакцията напредва, можеш да си представиш, че че тук имаме по-високо енергийно съдържание. Имаме малка буква 'а' за моловете от главно 'А' за молекулите плюс малка буква 'b' от молекулите главна буква 'B' и някаква активираща енергия. И след това отиваме в по-стабилно състояние с по-ниско ниво на енергия, това са малка буква ''c'' мола от молекулата 'С' плюс малко 'd' мола от молекулата 'D' и някаква активираща енергия. Реакцията протича само в тази посока. След като дойдеш тук, е много трудно да се върнеш обратно. И ако се върнеш и погледнеш това... ако има достатъчно А и В, тогава ще имаме само молекули С и D. Протича само в тази посока. Но в действителността нещата не се случват по този начин. В реалността... понякога се случва и така, че реакцията протича само в една посока. Но в повечето случаи реакцията протича и в двете посоки. Затова можем да напишем, вместо тази еднопосочна реакция, можем да напишем обратима реакция като това. И за да не те обърквам, това са броя молове и или съотношението на молекулите, които смесвам, и ще ти стане ясно след малко. Нека имам 'a' молове от тази молекула плюс малко 'b' молове от тази молекула, и те реагират, като образуват малко 'c' от тази молекула плюс малко 'd' от тази молекула. Понякога реакцията протича в двете посоки. И за да покажеш една равновесна реакция, просто слагаш тези стрелки в двете посоки. Това означава, че някои от тези ще започнат да се превръщат в тези. Но в същото време някои от тези започват да образуват ето тези тук. И в някакъв момент реакцията ще достигне равновесие. Когато скоростта на молекулите, които реагират в тази посока се изравни с броя на молекулите, които реагират в другата посока, тогава ще достигнем някакво равновесно състояние. Защо се случва това, а не това? Мога да се сетя за един случай. Ако отново начертаем енергийната диаграма... Може би и двете имат подобни или не много различни енергийни състояния. Може да има и други причини, но аз се сещам за тази. Може би енергийните състояния изглеждат някак така. От тази страна имаме А плюс В и някаква активираща енергия. И после може би С плюс D, може би има по-нисък потенциал, но не много по-нисък. Може би това е предпочитаната посока, защото това е по-стабилно състояние. Значи това е А + В, а тук имаме С + D. Но не е изключено да протича и в тази посока. Така че може да протича предимно в тази посока, но една част и наобратно. Ако част от тези молекули имат подходящата кинетична енергия, те може да надвишат тази активираща енергия и тогава да протече обратната реакция. И изследването на това се нарича равновесие, където намираме концентрациите на различните молекули. И само за да сравним това с кинетиката, там се занимаваме със скоростта, с която това се случва. Какво мога да направя, за да променя активиращата енергия, този хълм тук? Равновесието е изучаване на това какви са концентрациите на различните молекули, когато скоростта на правата реакция се изравни със скоростта на обратната реакция. Искам да стане ясно. Равновесието е там, където скоростта на правата реакция е равно на скоростта на обратната реакция. Това не означава, че концентрациите от двете страни са равни. Може да имаме 25% от получената смес да бъдат А и В, а 75% да са тези тук. Всичко, което знаем, е, че сме досгитнали... равновесието просто означава, че тези концентрации няма да се променят повече. И ще ти дам един пример за това какво имам предвид. Ще запиша... да видим, това е един процес на Хабер-Бош. Мога да напиша азот (газ) плюс 3 пъти водород (газ). Всички са в газообразно състояние, затова слагам в скоби малко 'g'. Това е една равновесна реакция, и тук се получават два мола амоняк. Нарича се процес на Хабер-Бош. Ще говорим за него в друго видео. В този случай имам 1, това е малко 'a'. Главно А е молекулата азот. Малко b е 3. Голямо В е молекулата водород. Малко 'c' е броя на моловете амоняк и голямо С е самата молекула амоняк. Искам да осъзнаеш, че това е просто абстрактен начин за описание на голям брой химични реакции. Това, което е интересно при равновесните реакции, е, че можеш да определиш една т.нар. равновесна константа. Тя се определя като константа на равновесието. Ще сменя цветовете. Използвам твърде често това светло синьо. Равновесната константа се дефинира като продуктите, или дясната страна... но реакцията протича в двете посоки, очевидно може да се придвижиш в двете посоки. Но да кажем, че това е правата посока, от А + В към С + D. Взимаш концентрацията на продуктите, на всеки от тях, и ги умножаваш едни по други, като ги повдигаш на степен, равна на броя от молове. Тогава ще имаме концентрацията на С, повдигната на степен малко с, по концентрацията на D, на степен малко d. И като казвам концентрация, особено в учебниците по химия, концентрацията се измерва в молове за литър, или моларност. Преди няколко видеа, когато говорихме какво е моларност, аз казах, че мол за литър... че не харесвам много тази мярка, защото обемът на газовете зависи от температурата. Затова не обичам тази мярка, мол за литър. Но в този случай тя е подходяща. Защото равновесната константа се отнася само за конкретна температура. Приемаме я за определена температура и аз ще ти покажа как се ползва. Но тя е дефинирана като концентрацията на продуктите на тези степени. Ако ми остане време, може би ще го обясня в следващо видео. Логиката да го повдигнеш на степен, делено на концентрацията на реагентите, т.е. нещата отляво на равновесната реакция. Значи А на степен малко а, делено на В на степен малко b. И интересното тук, и това е някакъв вид опростяване, защото това не се отнася за всички реакции. Но за повечето случаи, които ще срещнеш в уроците по химия, това е вярно, след като намериш равновесната константа за определена температура – тя важи само за определена температура – след това можеш да променяш концентрациите и да предвидиш какви концентрации ще се получат. Нека да покажа един пример. Нека да кажем, че след като реакцията е достигнала равновесие... нека за да отиде всяко нещо на мястото си, просто да взема тази реакция на Хабер-Бош и да я напиша в този вид. Ако искам да запиша равновесната константа за реакцията на Хабер-Бош, ако искам да я изчисля, тогава ми трябва някаква конкретна температура на протичане. Това е вярно само при... нека да е при 25 градуса Целзий, което е приблизително стайна температура. Значи взимам продуктите. Единственият продукт е амонякът, NH3. Повдигам го на степен, равна на броя на моловете, получени от 1 мол азот (газ) и 3 мола водород (газ). Значи на степен 2. Ето какво получавам. И го деля на реагентите. Значи 1 мол азот, просто взимам концентрацията на азота плюс 3 мола от водород... о, не,не. Тук не трябва да е плюс. Те се умножават. Значи по водорода на трета степен, защото за всеки един мол азот имам три мола водород и получавам два мола амоняк. И ако изчисля това... запомни, че когато слагам тези скоби, имам предвид концентрациите. Значи ми трябват молове за литър. Или както казват моларността на тези неща, и получавам някаква константа. Ако я променя, мога да изчисля останалите, така че нека го направя тук като един пример. Нека имам един мол от молекула А плюс два мола от молекула В, които са в равновесие с три мола от молекула С. Нека кажем, че когато са достигнали равновесие, ние просто сме измерили концентрациите и сме установили, че концентрацията на А е 1 мол на литър, Това е концентрацията на А. Установили сме, че след достигане на равновесно състояние, концентрацията на В е равна на 3 мола на литър. И когато сме в равновесие, концентрацията на С е равна на нула цяло и... не искам да е сложно... нека да е 1 мол за литър. Ще махна тази запетая тук, защото не искам да е 0,1, искам да е 1 мол за литър. Ако искаме да изчислим равновесната константа за тази реакция, просто взимаме С, концентрацията на С, върху... да видим... Равновесната константа е равна на концентрацията на С на трета степен, делено на концентрацията на А на първа степен, защото имаме само един мол от А за всеки 3 от С и 2 от В... по концентрацията на ... ще използвам този цвят... концентрацията на В на трета степен. Ако трябва да изчислим това, концентрацията на С е 1 мол/л, повдигаме го на трета степен, делено на концентрацията на А, която е 1 мол/л по концентрацията на В, която е 3 мол/л на трета степен. И това е равно на 1/27. Има няколко неща, за които можем да помислим. Фактът, че това е по-малко от 1, какво означава това? Това означава, че концентрацията на нашите реагенти е много по-голяма от концентрацията на продуктите, като продукти са всички неща отдясно на уравнението. След като тази реакция достигне до равновесие, ще имаме много повече от това, отколкото от тези. И понеже ще имаме много повече от това, равновесната константа е по-малка от 1, което означава, че реакцията протича предимно в тази посока. Предпочита обратната посока. Помисли за това. Понеже имаме повече от това, следователно тя протича повече от реакцията от ляво надясно. Значи от ляво надясно може да бъде една малка стрелка, докато повече протича това, ето защо установяваме, че протича повече тази реакция и затова равновесната константа е по-малка от 1. От друга страна, ако равновесната константа е по-голяма от 1, това означава, че числителят е по-голям от знаменателя. Което означава, че имаме по-голяма концентрация... след достигане на равновесие имаме повече неща отдясно, отколкото отляво, което означава, че реакцията би протичала в права посока. Другото интересно нещо, което може да се установи, е какво ще стане, ако добавя още един мол от А? Да кажем, че добавя в сместа още един мол от А. Увеличавам концентрацията на А. Новата концентрация на А е 2 мола. Нека новото А е 2. И новото В, да кажем, че искам... всъщност мога да намеря връзката между... по-добре да не навлизам в този случай, когато променям концентрацията, ще го оставя за следващото видео, защото току-що осъзнах, че не ми остава много време. Но се надявам, че получи добра представа за равновесната константа. за какво се отнася, как се измерва и как се дефинира. В следващото видео ще говорим за това как може да ни е полезна. В това видео просто казахме, че ако е по-малко от 1, това означава, че обратната реакция е предпочитана. Ако е по-голяма от 1, тогава предпочитана е правата реакция. В следващото видео ще ти покажа логиката, надявам се, защо е дефинирана по този начин, а не по този начин. Аз например се питам защо не е три пъти по концентрацията на С, делено на един път по концентрацията на А, плюс три пъти по концентрацията на В. Това ми изглежда по-логично, но не е вярно. Това е какво всъщност е една константа, независимо как променяме концентрациите на различните реагенти. Така че може би ще разгледаме защо това е вярно, а това не е.