1. Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος ΘέοςΧημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος Θέος 4η ενότητα - Χημική ισορροπία Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου 4η Ενότητα Χημική ισορροπία σελ. -37-

2. Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος ΘέοςΧημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος Θέος 4η ενότητα - Χημική ισορροπία Χημική ισορροπία Κάθε χημική αντίδραση στην οποία καταναλώνεται πλήρως όλη η ποσότητα ενός τουλάχιστον εκ των αντιδρώντων, λέγεται μονόδρομη ή ποσοτική. Στις μονόδρομες αντιδράσεις χρησιμοποιούμε ένα βέλος (→). Μία χημική αντίδραση που πραγματοποιείται ταυτόχρονα και προς τις δύο κατευθύνσεις λέγεται αμφίδρομη. Οι αμφίδρομες αντιδράσεις συμβολίζονται με διπλό βέλος (⇌). π.χ. η αντίδραση: C(s) + O2(g) → CO2(g) είναι ποσοτική η αντίδραση: Η2(g) + Ι2(g) ⇌ 2 ΗΙ(g) Οι αμφίδρομες αντιδράσεις σε κατάλληλες συνθήκες μπορούν να μετατραπούν σε μονόδρομες. π.χ. η σύνθεση του νερού σε θερμοκρασία κάτω των 2000 οC είναι ποσοτική και πάνω από τους 2000 οC είναι αμφίδρομη. Χημικήισορροπία λέγεται η κατάσταση στην οποία καταλήγει μια αμφίδρο- μη αντίδραση, όπου οι ταχύτητες των αντίθετων αντιδράσεων εξισώνονται. Στην κατάσταση ισορροπίας συνυπάρχουν αντιδρώντα και προϊόντα, με σταθερές συγκεντρώσεις, εφόσον οι συνθήκες παραμένουν σταθερές. Η χημική ισορροπία είναι δυναμική ισορροπία γιατί η αντίδραση συνεχίζεται. Θα μελετήσουμε την αμφίδρομη αντίδραση: Η2(g) + Ι2(g) ⇌ 2 ΗΙ(g) Όταν εισάγουμε στο δοχείο υδρογόνο και ιώδιο αρχίζει να πραγματοποιείται η αντίδραση που έχει κατεύθυνση προς τα δεξιά. Με την πάροδο του χρόνου μειώνεται η ταχύτητά της διότι μειώνεται η συγκέντρωση των αντιδρώντων. Ταυτόχρονα αρχίζει να πραγματοποιείται και η αντίδραση που έχει κατεύθυνση προς τ’ αριστερά η οποία με την πάροδο του χρόνου αποκτά μεγαλύτερη ταχύτητα. Όταν οι ταχύτητες εξισωθούν το σύστημα βρίσκεται σε χημική ισορροπία. είναι αμφίδρομη Το διπλανό διάγραμμα δείχνει τη μεταβολή της ταχύτητας υ1 προς τα δεξιά και τη μεταβολή της ταχύτητας υ2 προς τα αριστερά μιας αμφίδρομης αντίδρασης. Τη στιγμή tv αποκαθίσταται η ισορροπία. σελ. -39-

3. Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος ΘέοςΧημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος Θέος 4η ενότητα - Χημική ισορροπία Έστω ότι εισάγουμε σε κενό δοχείο ίσες ποσό- τητες Η2 και Ι2. Το διπλανό διάγραμμα δείχνει τη μεταβολή της συγκέντρωσης κάθε ουσίας για την ισορροπία: Η2(g) + Ι2(g) ⇌ 2 ΗΙ(g) Τη στιγμή tv αποκαθίσταται η ισορροπία. Οι χημικές ισορροπίες διακρίνονται σε ομογενείς και ετερογενείς. Στις ομογενείς όλα τα σώματα που συμμετέχουν είναι στην ίδια φυσική κατάσταση, ενώ στις ετερογενείς έστω και ένα σώμα βρίσκεται σε άλλη φυσική κατάσταση από τα υπόλοιπα. Ακολουθούν παραδείγματα: Η2(g) + Ι2(g) ⇌ 2 ΗΙ(g) CaO(g) + CO2(g) ⇌ CaCO3(s) (ομογενής) (ετερογενής) σελ. -40-

4. Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος ΘέοςΧημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος Θέος 4η ενότητα - Χημική ισορροπία Απόδοση αντίδρασης Θεωρούμε μια αμφίδρομη αντίδραση. Ονομάζουμε θεωρητική την ποσότητα που θα μπορούσε να σχηματιστεί αν η αντίδραση ήταν μονόδρομη. Ονομάζουμε πρακτική την ποσότητα του προϊόντος που σχηματίζεται. “Ο λόγος της πρακτικής ποσότητας προς την θεωρητική ποσότητα λέγεται συντελεστής απόδοσης (σύμβολο α) της αντίδρασης”. Ο συντελεστής απόδοσης τιμές 0 < α ≤ 1 και όταν μετρηθεί ως ποσοστό από 0 έως 100 %,τότε λέγεται απόδοση της αντίδρασης. Παράδειγμα: Ας υποθέσουμε ότι βάζουμε σε δοχείο 4 mol N2 και 9 mol Η2 ώστε να αντιδράσουν και να σχηματίσουν ΝΗ3. Πειραματικά διαπιστώνουμε ότι αντέδρασαν 2 mol N2, 6 mol H2 και σχηματίστηκαν 4 mol ΝΗ3. Καταγράφουμε τα δεδομένα σε πίνακα: Ποσότητες σε mol Αρχικές Αντιδρούν Παράγονται Χημική ισορροπία Θεωρητικά μπορούν ν’ αντιδράσουν 3 mol N2 (από τα 4 mol) με 9 mol H2 και να σχηματίσουν 6 mol NH3 (το Ν2 βρίσκεται σε περίσσεια). Ν2 + 3 Η2⇌ 2 ΝΗ3 Ν2 + 3 Η2⇌ 2 ΝΗ3 Ν2 + 3 Η2⇌ 2 ΝΗ3 4 2 - 2 9 6 - 3 - -4 4 α=4mol 6mol=0,67=67% Η απόδοση της αντίδρασης είναι ίση με: 2 4⋅100=50% τουαζωτου 6 9⋅100=67% τουυδρογονου Μετατράπηκαν σε προϊόντα ποσοστό: Βλέπουμε ότι το ποσοστό μετατροπής του υδρογόνου συμπίπτει με την απόδοση της αντίδρασης. Γενικά η απόδοση της αντίδρασης συμπίπτει με το ποσοστό μετατροπής του αντιδρώντος που βρίσκεται σε έλλειμμα. σελ. -41-

5. Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος ΘέοςΧημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος Θέος 4η ενότητα - Χημική ισορροπία Ασκήσεις Από το σχολικό βιβλίο: Παράδειγμα 4.2 και η εφαρμογή Ασκήσεις 1,2,3,4,10,11,12,13,14,15,16 1. Ποια πρόταση είναι σωστή για μια αντίδραση που έχει καταλήξει σε ισορροπία; α. Το χημικό φαινόμενο έχει σταματήσει β. Οι συγκεντρώσεις όλων των σωμάτων με την πάροδο του χρό- νου δεν μεταβάλλονται όταν δεν μεταβληθούν οι συνθήκες γ. Αν βάλουμε καταλύτη θα συνεχιστεί η αντίδραση δ. Οι συγκεντρώσεις όλων των σωμάτων είναι ίσες 2. Μια αντίδραση έχει απόδοση 40 %. Ποιες από τις προτάσεις που ακολουθούν είναι σωστές; α. στην κατάσταση ισορροπίας η ταχύτητα της αντίδρασης προς τα δεξιά είναι ίση με την ταχύτητα της αντίδρασης προς τα αριστερά. β. το ποσόν του προϊόντος που παράγεται είναι ίσο με το 40 % της θεωρητικής ποσότητας. γ. αντιδρά το 40 % από κάθε σώμα. δ. αντιδρά το 40 % από το σώμα που βρίσκεται σε περίσσεια 3. Σε κενό δοχείο βάζουμε ισομοριακές ποσότητες από τα σώματα Α και Β. Πραγματοποιείται η αμφίδρομη αντίδραση: Α(g) + Β(g) ⇌ 2 Γ(g) Να χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές ή λάθος. α. Στην κατάσταση ισορροπίας το δοχείο περιέχει το σώμα Γ και ένα από τα σώματα Α ή Β. β. Στην κατάσταση ισορροπίας το δοχείο περιέχει ποσότητες από όλα τα σώματα. γ. Στην κατάσταση ισορροπίας οι συγκεντρώσεις όλων των σωμάτων είναι ίσες. δ. Στην κατάσταση ισορροπίας οι συγκεντρώσεις των σωμάτων Α και Β είναι ίσες. ε. Αν η απόδοση της αντίδρασης είναι 60 % στην κατάσταση ισορροπίας θα έχει μείνει το 40 % από την αρχική ποσότητα του σώματος Α στ. Αν η απόδοση της αντίδρασης είναι 50 % στην κατάσταση ισορροπίας η ποσοτητα του Γ σε mol θα είναι τριπλάσια από την ποσότητα του Α. σελ. -42-

6. Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος ΘέοςΧημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος Θέος 4η ενότητα - Χημική ισορροπία 4. Βάζουμε σε κενό δοχείο 6 mol Ν2 και 10 mol H2. Αντιδρούν και σχηματίζουν ΝΗ3 σύμφωνα με την ισορροπία: Ν2(g) + 3 Η2(g) ⇌ 2 ΝΗ3(g) Αν η απόδοση της αντίδρασης είναι 90 % να υπολογίσετε: α. τη μάζα της αμμωνίας που σχηματίζεται. β. το γραμμομοριακό κλάσμα της αμμωνίας στο μείγμα ισορ- ροπίας. Σχετικές ατομικές μάζες: N = 14, H = 1. Λύση Από τη στοιχειομετρία θεωρούμε ότι αντιδρούν x mol Ν2 με 3x mol Η2 και σχηματίζονται 2x mol NH3. Καταγράφουμε τα δεδομένα σε πίνακα. ποσότητες Ν2(g) + 3 Η2(g) ⇌ 2 ΝΗ3(g) Ν2(g) + 3 Η2(g) ⇌ 2 ΝΗ3(g) Ν2(g) + 3 Η2(g) ⇌ 2 ΝΗ3(g) αρχικά 6 mol 10 mol - αντιδρούν x mol 3x mol - παράγονται - - 2x mol χημική ισορροπία Βρίσκουμε το σώμα που βρίσκεται σε περίσσεια. Σύμφωνα με τη στοιχειομετρία της αντίδρασης: 6 mol N2 αντιδρούν με 3·6 = 18 mol H2 Αρχικά έχουμε μόνο 10 mol H2, επομένως το Η2 βρίσκεται σε έλλειμμα και το Ν2 σε περίσσεια. α=3x (6-x) mol (10-3x) mol 2x mol 1 mol N2 αντιδρά με 3 mol H2 10⇔90 100=3x 100⇔x=3 Η απόδοση είναι 90 %, άρα: Στη χημική ισορροπία έχουμε: 3 mol N2, 1 mol H2 και 6 mol NH3 α. Η αμμωνία έχει μάζα: m = n·Mr = 6·17 = 102 g. β. To μείγμα ισορροπίας περιέχει συνολικά 10 mol. Το γραμμο- μοριακό κλάσμα της αμμωνίας είναι ίσο με: x(NH3)=n(NH3) nολ =6 10=3 5 σελ. -43-

7. Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος ΘέοςΧημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος Θέος 4η ενότητα - Χημική ισορροπία 5. Σε κενό δοχείο που έχει όγκο 10 L εισάγουμε 6 mol CO και 5 mol O2. Σε κατάλληλες συνθήκες αντιδρούν και σχηματίζουν CO2 σύμφωνα με την αντίδραση: 2 CO(g) + O2(g) ⇌ 2 CO2(g) α. Να υπολογίσετε την τελική συγκέντρωση του CO2 θεωρώντας ότι η αντίδραση πραγματοποιείται: (i) με απόδοση 100 % (ii) με απόδοση 1/3 β. Να κάνετε στη δεύτερη περίπτωση τη γραφική παράσταση της συγκέντρωσης όλων των σωμάτων σε συνάρτηση με το χρόνο. Να θεωρήσετε ότι αποκαθίσταται ισορροπία σε 10 s. [Απ: 0,6 Μ, 0,2 Μ] 6. Σε κενό δοχείο εισάγονται 5 mol Ν2 και 20 mol Ο2 και αποκαθίσταται η ισορροπία: Ν2(g) + 2 Ο2(g)⇌ 2 ΝΟ2(g). Διαπιστώθηκε ότι στην κατάσταση ισορροπίας το δοχείο περιέχει 8 mol ΝΟ2. Να υπολογίσετε: α. τη σύσταση σε mol του μeίγματος ισορροπίας. β. την απόδοση της αντίδρασης. [Απ: 1 mol, 12 mol, 8 mol, 80 %] 7. Σε κενό δοχείο εισάγονται 5 mol A και 6 mol Β και πραγματοποιείται η αντίδραση: 2 Α(g) + Β(g) ⇌ 2 Γ(g) Στην κατάσταση ισορροπίαςτο μείγμα περιέχει 3 mol Α. Να υπολογί- σετε: α. το ποσοστό της αρχικής ποσότητας του Α και του Β που αντέδρασε. β. τη μέγιστη δυνατή (θεωρητική) ποσότητα του Γ που μπορεί να παρασκευαστεί. γ. τον συντελεστή απόδοσης της αντίδρασης. [Απ: 40 %, 16,7 %, 5 mol, 0,4] 8. Σε κενό δοχείο εισάγονται 10 mol A και 24 mol Β και πραγματο- ποιείται η αντίδραση: Α(g) + 3 Β(g) ⇌ 2 Γ(g) Αν η απόδοση της αντίδραση είναι ίση με 50 %, να υπολογίσετε τη σύσταση του μείγματος ισορροπίας σε mol. [Απ: 6 mol, 12 mol, 8 mol] 9. Σε κενό δοχείο εισάγονται 10 mol Γ και πραγματοποιείται η αντίδρα- ση: Α(g) + 3 Β(g) ⇌ 2 Γ(g) Αν στην κατάσταση ισορροπίας περιέχονται στο δοχείο συνολικά 12 mol, να υπολογίσετε την απόδοση της αντίδρασης. [Απ: 20 %] σελ. -44-

8. Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος ΘέοςΧημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος Θέος 4η ενότητα - Χημική ισορροπία Αρχή Le Chatelier Η θέση της χημικής ισορροπίας εξαρτάται από τις συγκεντρώσεις των σωμάτων, από την πίεση και από τη θερμοκρασία (παράγοντες της χημικής ισορροπίας). Όταν μεταβάλλουμε έναν από τους παράγοντες που επηρεάζουν τη θέση της χημικής ισορροπίας, η ισορροπία καταστρέφεται και δημιουργείται νέα σύμφωνα με την αρχή Le Chatelier. Σύμφωνα με αυτή: «Όταν μεταβάλλουμε έναν από τους παράγοντες που επηρεάζουν τη θέση μιας χημικής ισορροπίας, η ισορροπία μετατοπίζεται προς την κατεύθυνση εκείνη που τείνει να αναιρέσει τη μεταβολή που επιφέραμε.» Μεταβολή της συγκέντρωσης Θεωρούμε μια αμφίδρομη χημική αντίδραση που έχει καταλήξει σε κατάσταση ισορροπίας. Αυξάνουμε τη συγκέντρωση ενός σώματος (αντιδρώντος είτε προϊόντος). Το σύστημα αντιδρά (σύμφωνα με την αρχή Le Chatelier) ώστε να αναιρέσει τη μεταβολή και η ισορροπία μετατοπίζεται προς την κατεύθυνση εκείνη που μειώνει τη συγκέντρωση του προστιθέμενου σώματος. Το αντίθετο συμβαίνει αν μειώσουμε τη συγκέντρωση ενός σώματος. Για παράδειγμα στην ισορροπία: Όταν αυξήσουμε τη συγκέντρωση του Η2 ή του Ι2 η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα δεξιά. Όταν μειώσουμε τη συγκέντρωση του Η2 ή του Ι2 η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα αριστερά. Η2 + Ι2⇌ 2 ΗΙ σελ. -46-

9. Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος ΘέοςΧημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος Θέος 4η ενότητα - Χημική ισορροπία Μεταβολή της πίεσης Θεωρούμε μια αμφίδρομη χημική αντίδραση (στην οποία συμμετέχουν και αέρια) που έχει καταλήξει σε κατάστασης ισορροπίας. Με κατάλληλο τρόπο μεταβάλλουμε την πίεση (συνήθως μεταβάλλοντας τον όγκο του δοχείου). Τότε σύμφωνα με την αρχή Le Chatelier το σύστημα αντιδρά έτσι ώστε να αναιρέσει τη μεταβολή της πίεσης. Όταν αυξήσουμε τη πίεση το σύστημα προσπαθεί να τη μειώσει. Αυτό το επιτυγχάνει με μετακίνηση της ισορροπίας προς την κατεύθυνση εκείνη που τείνει να μειώσει τον αριθμό των mol των αερίων. «Με άλλα λόγια αύξηση της πίεσης οδηγεί την ισορροπία στην κατεύθυνση που είναι μικρότερο το άθροισμα των συντελεστών των αερίων, ενώ μείωση της πίεσης οδηγεί την ισορροπία προς την κατεύθυνση που είναι μεγαλύτερο το άθροισμα των συντελεστών των αερίων». π.χ. Ν2(g) + 3 Η2(g) ⇌ 2 ΝΗ3(g) όταν αυξηθεί η πίεση η ισορροπία μετακινείται προς τα δεξιά γιατί από 1 mol N2 και 3 mol H2 παράγονται 2 mol NH3 π.χ. Η2(g) + Ι2(g) ⇌ 2 ΗΙ(g) όταν μεταβληθεί η πίεση η ισορροπία δεν επηρεάζεται γιατί ο αριθμός mol δεν μειώνεται όπως και αν πραγματοποιηθεί αντίδραση. Από 1 mol H2 και 1 mol I2 παράγονται 2 mol HI. Μεταβολή της θερμοκρασίας Θεωρούμε μια αμφίδρομη χημική αντίδραση που έχει καταλήξει σε κατάσταση ισορροπίας στους θ1 οC. Αυξάνουμε τη θερμοκρασία σε θ2 οC. Τότε σύμφωνα με την αρχή Le Chatelier το χημικό σύστημα αντιδρά ώστε να αναιρέσει τη μεταβολή, και η χημική ισορροπία μετατοπίζεται προς εκείνη την κατεύθυνση που γίνεται απορρόφηση θερμότητας, δηλαδή προς όφελος της ενδόθερμης αντίδρασης. π.χ. στη χημική ισορροπία: Ν2 + 3 Η2⇌ 2 ΝΗ3, ΔΗ < 0 Η αύξηση της θερμοκρασίας μετατοπίζει την ισορροπία προς τ' αριστερά. Αντίθετα μείωση της θερμοκρασίας οδηγεί την ισορροπία προς όφελος της εξώθερμης αντίδρασης. Οι θερμοουδέτερες αντιδράσεις δεν επηρεάζονται από τις μεταβολές της θερμοκρασίας. σελ. -47-

10. Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος ΘέοςΧημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος Θέος 4η ενότητα - Χημική ισορροπία Ασκήσεις Από το σχολικό βιβλίο: Παράδειγμα 4.3 και η εφαρμογή της Ασκήσεις 5,6,7,20,21,22,23,24,25,26 15. Τι καθορίζει η αρχή Le Chatelier και πως εφαρμόζεται όταν μεταβληθεί κάθε παράγοντας της χημικής ισορροπίας; 16. Η αντίδραση: RCOOH(ℓ) + R΄OH(ℓ)⇌ RCOOR΄(ℓ) + H2O(ℓ) είναι πρακτικά θερμοουδέτερη. Να εξηγήσετε ποια επίδραση θα έχουν στην απόδοση της αντίδρασης οι παρακάτω μεταβολές: α. Αύξηση της αρχικής συγκέντρωσης της αλκοόλης R΄OH. β. Αύξηση της θερμοκρασίας. γ. Προσθήκη ενός αφυδατικού σώματος. 17. Δίνεται η ισορροπία: CuO(s) + H2(g) ⇌ Cu(s) + H2O(g), ΔΗ < 0. Η χημική ισορροπία μπορεί να μετακινηθεί με μία από τις παρακάτω μεταβολές: α. Με αύξηση της πίεσης β. Με αύξηση της θερμοκρασίας γ. Με προσθήκη CuO(s) δ. Με προσθήκη καταλύτη ε. Με απομάκρυνση του παραγόμενου Cu 18. Σε τέσσερα κλειστά δοχεία με δυνατότητα μεταβολής όγκου έχουν απoκατασταθεί αντίστοιχα οι παρακάτω χημικές ισορροπίες. Ποια από αυτές δεν επηρεάζεται από τη μεταβολή του όγκου του δοχείου, σε σταθερή θερμοκρασία. α. H2(g) + I2(g) ⇌ 2 HI(g) β. CaCO3(s) ⇌ CaO(s) + CO2(g) γ. C(s) + H2O(g) ⇌ CO(g) + H2(g) δ. 3 Η2(g) + Ν2(g) ⇌ 2 NH3(g) 19. Να εξηγήσετε ποιες από τις παρακάτω προτάσεις που αφορούν την παρακάτω ισορροπία είναι σωστές και ποιες λανθασμένες. N2(g) + 3 Η2(g) ⇌ 2 ΝΗ3(g),ΔΗ < 0 α. Η προσθήκη Ν2 προκαλεί αύξηση της ποσότητας της ΝΗ3 β. Ο σχηματισμός της αμμωνίας ευνοείται σε χαμηλές θερμοκρασίες γ. Όταν ελαττωθεί η πίεση, αυξάνεται η ποσότητα του Ν2 σελ. -48-

11. Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος ΘέοςΧημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος Θέος 4η ενότητα - Χημική ισορροπία Σταθερά της χημικής ισορροπίας Έστω η απλή αμφίδρομη αντίδραση: α Α(g) + β Β(g) ⇌ γ Γ(g) + δ Δ(g) Στην κατάσταση ισορροπίας εξισώνονται οι ταχύτητες των αντίθετων αντιδράσεων. [Γ]γ[Δ]δ [A]α[Β]βέχει σε ορισμένες συνθήκες σταθερή τιμή και το ονομάζουμε σταθερά της χημικής ισορροπίας. Η σταθερά της χημικής ισορροπίας συμβολίζεται με τα γράμματα ΚC οπότε: KC=[Γ]γ[Δ]δ [A]α[Β]β Η σταθερά μιας χημικής ισορροπίας εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία. KC=[Γ]γ[Δ]δ [A]α[Β]β διατυπώνεται δε ως εξής: «Όταν μια αμφίδρομη αντίδραση βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας, το πηλίκο του γινομένου των δρώσων μαζών των προϊόντων προς το γινόμενο των δρώσων μαζών των αντιδρώντων σε ορισμένη θερμοκρασία είναι σταθερό». Συμβατικάθεωρούμε ως αντιδρώντα τα σώματα που βρίσκονται αριστερά και ως προϊόντα τα σώματα που βρίσκονται δεξιά του βέλους. Παρατηρήσεις Όταν αντιστρέψουμε μια αμφίδρομη αντίδραση οι σταθερές ισορροπίας αντιστρέφονται π.χ. η αντίδραση: H2 + I2⇌ 2 HI έχει σταθερά ισορροπίας Κc και η αντίδραση: 2 ΗΙ ⇌ Η2 + Ι2 έχει σταθερά '=1 KC Όταν πολλαπλασιάσουμε μια αντίδραση με έναν αριθμό η σταθερές ισορροπίας υψώνονται στην αντίστοιχη δύναμη, π.χ. όταν η αντίδραση: H2 + I2⇌ 2 HI γραφεί με τη μορφή: 2 H2 + 2 I2⇌ 4 HI η σταθερά ισορροπίας της γίνεται KC Όταν μια αντίδραση αναλύεται σε στοιχειώδεις αντιδράσεις η σταθερά ισορροπίας της είναι ίση με το γινόμενο των σταθερών ισορροπίας των στοιχειωδών αντιδράσεων. Αποδεικνύεται ότι το πηλίκο: Η σχέση λέγεται και νόμος της χημικής ισορροπίας, ' όπου ισορροπίας KC KC '=(KC)2 σελ. -50-

12. Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος ΘέοςΧημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος Θέος 4η ενότητα - Χημική ισορροπία Ασκήσεις Από το σχολικό βιβλίο: Παράδειγμα 4.4, 4.5, 4.6 και οι εφαρμογές τους Ασκήσεις 27,28,29, 30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41 Χημικό σύστημα σε ισορροπία 22. Δίνεται η χημική ισορροπία: 2 CO(g) ⇌ C(s) + CO2(g). Σε δοχείο σταθερού όγκου V = 1 L επικρατεί χημική ισορροπία σε θ °C. Το μείγμα ισορροπίας των αερίων έχει περιεκτικότητα 44 % w/w σε CO2, ενώ τα συνολικά mol των αερίων είναι 0,075. Να υπολογίσετε: α. τη σύσταση σε mol του μείγματος ισορροπίας. β. την τιμή και τη μονάδα της σταθεράς KC της ισορροπίας στους θ °C. Δίνονται οι σχετικές ατομικές μάζες: C = 12, O = 16 Λύση α. Το αέριο μείγμα αποτελείται από CO2 και CO. 100 g του μείγματος περιέχουν 44 g CO2 και 56 g CO. Σε 100 g μείγματος περιέχονται: Στα 3 mol μείγματος υπάρχουν 1 mol CO2 και 2 mol CO Στα 0,075 >> >> >> x = 0,025 mol CO2, Οι συγκεντρώσεις ισορροπίας των αερίων είναι: [CO2]=0,025 1 οπότε η σταθερά ισορροπίας είναι: KC=[CO2] 44/44 = 1 mol CO2 και 56/28 = 2 mol CO x; >> >> y; >> >> y = 0,05 mol CO β. [CO]=0,05 =0,025 M και =0,05 M 1 [CO]2=0,025 (0,05)2=10M−1 σελ. -51-

13. Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος ΘέοςΧημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος Θέος 4η ενότητα - Χημική ισορροπία 23. Σε δοχείο Δ1 περιέχονται σε κατάσταση ισορροπίας 3 mol N2, 3 mol H2 και 9 mol NH3 σύμφωνα με την αντίδραση: Ν2(g) + 3 Η2(g) ⇌ 2 ΝΗ3(g) Η θερμοκρασία είναι 200 °C όπου η τιμή της σταθεράς ΚC = 100. Να υπολογίσετε τον όγκο του δοχείου Δ1. [Απ: 10 L] 24. Δοχείο Δ2 περιέχει σε κατάσταση ισορροπίας 4 mol PCl5, 3 mol PCl3 και 3 mol Cl2 σύμφωνα με την αντίδραση: PCl5(g) ⇌ PCl3(g) + Cl2(g) Η θερμοκρασία είναι 300 °C όπου η σταθερά KC = 3. Να υπολογίσετε τον όγκο του δοχείου Δ2. [Απ: 3/4 L] 25. Ένα δοχείο περιέχει σε κατάσταση ισορροπίας Ν2Ο4 και ΝΟ2 σε θ °C. Το μείγμα ισορροπίας περιέχει 20 % v/v Ν2Ο4 και ο όγκος του δοχείου είναι 4 L. Η σταθερά KC της χημικής ισορροπίας: Ν2Ο4(g) ⇌ 2 ΝΟ2(g) στους θ °C είναι ίση με 10. Να υπολογίσετε πόσα mol από κάθε αέριο περιέχει το δοχείο. [Απ: 2,5 mol, 10 mol] 26. Σε δοχείο Δ1 όγκου 8 L περιέχονται 0,6 mol COCl2 και ισομοριακές ποσότητες CO και Cl2 σε κατάσταση ισορροπίας. Η θερμοκρασία του μίγματος είναι 727 οC και η πίεση 8,2 atm. α. Να υπολογίσετε την σταθερά ΚC της ισορροπίας: CO(g) + Cl2(g) ⇌ COCl2(g) β. Σε άλλο δοχείο Δ2 όγκου V2 βρίσκονται σε κατάσταση ισορρο- πίας 0,2 mol COCl2, 0,1 mol CO και 0,1 mol Cl2 στους 727 °C. Να υπολογίσετε τον όγκο V2 του δοχείου. R=0,082 L⋅atm Δίνεται η σταθερά των αερίων mol⋅K [Απ: 480, 120 L] 27. Δοχείο Α περιέχει σε ισορροπία 2 mol SO2, 3 mol NO2, 4 mol SO3 και 6 mol NO. Στην ίδια θερμοκρασία δοχείο Β περιέχει x mol SO2, x mol NO2, 8 mol SO3 και 8 mol NO σε ισορροπία (στην ίδια θερμοκρασία). Να υπολογίσετε: α. τη σταθερά KC της χημικής ισορροπίας: SO2(g) + NO2(g)⇌ SO3(g) + NO(g) β. την % v/v σύσταση του μείγματος της χημικής ισορροπίας σε ΝΟ2 στο δοχείο Β. [Απ: 4, 4, 16,7 %] σελ. -52-

14. Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος ΘέοςΧημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος Θέος 4η ενότητα - Χημική ισορροπία Σύστημα που καταλήγει σε ισορροπία 28. Σε κενό δοχείο εισάγονται 76,2 g Ι2 και 0,8 g H2 τα οποία αντιδρούν και σχηματίζουν ΗΙ. Στην κατάσταση ισορροπίας στο δοχείο υπάρχουν 0,4 g H2. Να υπολογίσετε: α. Τη σταθερά KC της ισορροπίας: Η2(g) + Ι2(g) ⇌ 2 ΗΙ(g) β. Την απόδοση της αντίδρασης. Σχετικές ατομικές μάζες: H = 1, I = 127. Η αντίδραση πραγματοποιείται σε θ °C. Λύση Υπολογίζουμε τα mol των σωμάτων που βάλαμε στο δοχείο. n = 76,2/254 = 0,3 mol I2 και n = 0,8/2 = 0,4 mol H2. Καταγράφουμε σε πίνακα τις μεταβολές που πραγματοποιούνται κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Η2(g) + Ι2(g) ⇌ 2 ΗΙ(g) Αρχικά 0,4 mol 0,3 mol - Αντιδρούν x mol x mol - Σχηματίζονται - - 2x mol Χημική Ισορροπία Στην κατάσταση ισορροπίας περιέχονται: 0,4 g H2 ή 0,4:2 = 0,2 mol H2, οπότε 0,4−x = 0,2 ⇔ x = 0,2. Άρα στην κατάσταση ισορροπίας στο δοχείο περιέχονται: 0,2 mol H2, 0,3−0,2 = 0,1 mol I2, 2⋅0,2 = 0,4 mol HI (0,4−x) mol (0,3−x) mol 2x mol 2 ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ 0,1 V 0,4 V ⎞ ⎠⎟ [HI]2 [H2][I2]= KC= =8 Η σταθερά ισορροπίας είναι ίση με: ⎛ ⎝⎜ ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ 0,2 V Το υδρογόνο βρίσκεται σε περίσσεια και το ιώδιο σε έλλειμμα. 0,3=0,2 x Η απόδοση της αντίδρασης είναι: α= 0,3=0,667=66,7% σελ. -53-

15. Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος ΘέοςΧημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος Θέος 4η ενότητα - Χημική ισορροπία 29. Δίνεται η χημική ισορροπία: Η2(g) + CO2(g)⇌ H2O(g) + CO(g). Η σταθερά ισορροπίας KC σε θ °C είναι ίση με 9. Εισάγουμε σε κενό δοχείο 4 mol H2 και 4 mol CO2 και το θερμαίνουμε στην παραπάνω θερμοκρασία. Να υπολογίσετε: α. τη μάζα του Η2Ο που περιέχεται στο δοχείο στην κατάσταση ισορροπίας β. την απόδοση της αντίδρασης. Δίνονται οι σχετικές ατομικές μάζες: Η = 1, Ο = 16 Λύση Καταγράφουμε σε πίνακα τις μεταβολές που πραγματοποιούνται κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. H2(g) + CO2(g)⇌ H2O(g) + CO(g) Αρχικά 4 mοl 4 mol - - Αντιδρούν x mol x mol - - Σχηματίζονται - - x mol x mol Χημική Ισορροπία (4−x) mol (4−x) mol x mol x mol 2 ⎛ ⎝⎜ 1−x V ⎞ ⎠⎟ x V KC=[H2O][CO] Εφαρμόζουμε τη σταθερά KC [H2][CO2]= 2⇔ x=3 ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ Στην κατάσταση ισορροπίας περιέχονται στο δοχείο: 3 mol Η2Ο ή m=n⋅Mr=3⋅18=54g H2O Τα αντιδρώντα βρισκονται σε στοιχειομετρική αναλογία. α=x H απόδοση της αντίδρασης είναι: 4=0,75=75% 30. Η σταθερά ΚC της ισορροπίας: 2 ΝΗ3(g) ⇌ Ν2(g) + 3 Η2(g) είναι ίση με 3 στους θ oC. Σε κενό δοχείο που έχει σταθερό όγκο 9 L βάζουμε μια ποσότητα ΝΗ3 η οποία διασπάται στους θ °C σύμφωνα με την παραπάνω αντίδραση. Στην κατάσταση ισορροπίας στο δοχείο υπάρχουν 3 mol NH3. Να υπολογίσετε την αρχική μάζα της ΝΗ3 και τον συντελεστή απόδοσης της αντίδρασης. Ar: N = 14, H = 1 [Απ: 153 g, 2/3] σελ. -54-

16. Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος ΘέοςΧημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος Θέος 4η ενότητα - Χημική ισορροπία, συνδυαστικές ασκήσεις 50. α. Να συμπληρώσετε τους συντελεστές της χημικής εξίσωσης: CO + KMnO4 + H2SO4→ CO2 + K2SO4 + MnSO4 + H2O β. Να υπολογίσετε πόσα mol CΟ2 σχηματίζονται από την πλήρη αντίδραση 100 mL διαλύματος KMnO4 συγκέντρωσης 2 Μ; γ. Η ποσότητα του αερίου CO2 που σχηματίζεται διοχετεύεται σε κενό δοχείο, όγκου V = 5 L, που περιέχει ισομοριακή ποσότητα αερίου H2, και αποκαθίσταται η ισορροπία: CO2(g) + H2(g) ⇌ CO(g) + H2O(g) Αν στην κατάσταση ισορροπίας η συγκέντρωση του CO2 είναι ίση με 0,02 Μ, να υπολογίσετε: i. τη σταθερά ισορροπίας Kc ii. την απόδοση της αντίδρασης iii. τη μέση ταχύτητα σχηματισμού του CO μέχρι την απο- κατάσταση της ισορροπίας (δίνεται ότι η ισοροπία απο- καταστάθηκε μετά από 4 s). [Απ: 0,5 mol, 16, 80 %, 0,02 Μ/s] 51. Μια ποσότητα KCℓ οξειδώνεται πλήρως με 250 mL διαλύματος διχρωμικού καλίου συγκέντρωσης 0,8 Μ το οποίο έχει οξινιστεί με θειϊκό οξύ. α. Να συμπληρώσετε τους συντελεστές της αντίδρασης: KCℓ + K2Cr2O7 + H2SO4→ K2SO4 + Cr2(SO4)3 + Cℓ2 + H2O β. Να υπολογίσετε τον όγκο σε stp του Cℓ2 που σχηματίζεται. γ. Διαβιβάζουμε τη μισή ποσότητα του Cℓ2 που σχηματίστηκε σε δοχείο σταθερού όγκου 1 L που περιέχει 0,3 mol PCℓ3. Θερ- μαίνουμε το μείγμα στους 227 οC και αποκαθίσταται η ισορ- ροπία: PCℓ3(g) + Cℓ2(g) ⇌ PCℓ5(g) Αν ο συντελεστής απόδοσης είναι 2/3, να υπολογίσετε τη σταθερά Kc (τιμή και μονάδα) της χημικής ισορροπίας και την πίεση του μείγματος της χημικής ισορροπίας. Δίνεται: R = 0,082 atm·L·mol-1K-1. [Απ: 13,44 L, 20, 16,4 atm] 52. Μια ποσότητα CuO αντιδρά πλήρως με την απαιτούμενη ποσότητα ΝΗ3 και σχηματίζονται 57,15 g Cu. α. Να συμπληρώσετε τους συντελεστές της χημικής εξίσωσης CuO + NH3→ Cu + N2 + H2O β. Να υπολογίσετε τον όγκο του αερίου N2 που ελευθερώνεται σε stp συνθήκες. γ. Το αέριο Ν2 παραλαμβάνεται ποσοτικά και διοχετεύεται σε δοχείο όγκου 1 L, στο οποίο περιέχονται 0,2 mol Η2. Το μείγμα σελ. -60-

17. Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος ΘέοςΧημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄Λυκείου Κων/νος Θέος 4η ενότητα - Χημική ισορροπία, συνδυαστικές ασκήσεις των αερίων αντιδρά σε κατάλληλες συνθήκες και σχηματίζει αμμωνία (ΝΗ3) σύμφωνα με την αντίδραση: N2(g)+ 3 H2(g)⇌ 2 NH3(g) Αν το δοχείο στην ισορροπίας περιέχει 0,1 mol ΝH3, να υπολο- γίσετε τη σταθερά Kc (τιμή - μονάδα) της ισορροπίας και την απόδοσή της αντίδρασης. Δίνεται: Αr(Cu) = 63,5. [Απ: 6,72 L, 320, 75 %] 53. Σε κλειστό και κενό δοχείο όγκου V = 8,2 L εισάγονται 3 mol αερίου SO2 και 3 mol αερίου ΝΟ2. Στους 27 °C αποκαθίσταται η χημική ισορροπία: SO2(g) + NO2(g)⇌ SO3(g)+ NO(g) για την οποία δίνεται η τιμή της σταθεράς ισορροπίας KC = 4 σε αυτή τη θερμοκρασία. α. Να υπολογίσετε το πλήθος των mol κάθε ουσίας που περιέχει το δοχείο μετά την αποκατάσταση της χημικής ισορροπίας. β. Να υπολογίσετε την πίεση του μείγματος ισορροπίας στους 27 °C. γ. 3 mol αερίου SO2 ανάγεται με την απαιτούμενη ποσότητα H2S. (i) Να συμπληρώσετε τους συντελεστές της χημικής εξίσωσης SO2 + H2S → S + H2O (ii) Να υπολογίσετε τον αριθμό mol του παραγόμενου θείου (S) Δίνεται R = 0,082 atm·L·mol-1K-1. [Απ: 1 mol, 1 mol, 2 mol, 2 mol, 18 atm, 9 mol] 54. Σε κενό δοχείο όγκου 10 L και σε στους θ °C, εισάγονται 0,6 mol SO2 και 0,6 mol O2 οπότε πραγματοποιείται η αντίδραση: 2 SΟ2(g) + Ο2(g) ⇌ 2 SO3(g) Η ισορροπία αποκαθίσταται μετά από χρόνο t = 2 min από την έναρ- ξη της αντίδρασης και τότε η συγκέντρωση του SO3(g) είναι 0,04 Μ, ενώ η θερμοκρασία παραμένει σταθερή. α. Να υπολογίσετε τη μέση ταχύτητα της αντίδρασης και τη μέση ταχύτητα σχηματισμού του SO3(g) από την έναρξη της αντίδρα- σης (t = 0) μέχρι την αποκατάσταση της χημικής ισορροπίας. β. Να υπολογίσετε τη σταθερά Κc της ισορροπίας (τιμή και μονάδα) γ. Να κάνετε κοινό διάγραμμα συγκεντρώσεων - χρόνου μέχρι την αποκατάσταση της ισορροπίας. [Απ: 0,01 M/min, 0,02 M/min, 100] σελ. -61-