''Stan równowagi chemicznej'' (''Chemia w szkole'' 4-2007 r.).pdf

Metodyka i praktyka szkolna

Stan równowagi

chemicznej

Scenariusz lekcji chemii w szkole ponadgimnazjalnej

Scenariusz ten uzyskał I nagrodę w konkursie, pod tym samym tytułem,

ogłoszonym na łamach naszego czasopisma. Realizacja scenariusza

wymaga co najmniej trzech jednostek lekcyjnych. Do jego realizacji

nie jest konieczna znajomość zagadnień kinetyki reakcji chemicznych.

WŁODZIMIERZ KUŚMIERCZUK

Cele ogólne lekcji:

•

zapisać prawo działania mas na podsta-

wie równania reakcji w układach homo-

genicznych i heterogenicznych

Wyjaśnić znaczenie terminów: odwra-

calność reakcji chemicznej, równowaga

chemiczna i jej dynamiczny charakter,

stan równowagi.

•

zinterpretować wartość liczbową stałej

równowagi reakcji

•

Zapoznać z prawem równowagi (prawem

działania mas) i stałą równowagi.

•

stosować regułę przekory w sytuacjach

zmian: ilości reagenta, jego stężenia, ci-

śnienia, objętości, temperatury

•

Wskazać na możliwości sterowania

przebiegiem reakcji chemicznej i na-

uczyć posługiwania się regułą przekory.

•

posługiwać się prawem równowagi do

sterowania kierunkiem przebiegu reakcji

•

określać wpływ rozcieńczania (zatęża-

nia) na równowagę

Cele operacyjne:

Uczeń wie:

•

przeprowadzać obliczenia dotyczące sta-

nu równowagi reakcji.

•

co to jest reakcja odwracalna

•

na czym polega dynamiczny charakter

równowagi chemicznej

Metoda: problemowa

•

kiedy w układzie ustala się stan równo-

wagi

Materiały: Arkusze do ćwiczeń (załączni-

ki I, II i III), odczynniki i sprzęt laborato-

ryjny podane w opisie doświadczeń.

•

czego dotyczy prawo równowagi (prawo

działania mas)

•

że stałą równowagi oblicza się na pod-

stawie stężeń równowagowych w stałej

temperaturze

PRZEBIEG LEKCJI

Część wprowadzająca: Odwracalność re-

akcji chemicznej

N: Zapisując równania reakcji i oblicza-

jąc na podstawie ilości substratu ilość pro-

duktu zakładaliśmy, że przynajmniej jeden

z substratów przekształci się całkowicie

w produkt(y). Czy założenie to jest praw-

dziwe? Sprawdzimy to na przykładzie reak-

•

że stała równowagi zależy tylko od tem-

peratury

•

że katalizator nie wpływa na stan równo-

wagi

Uczeń umie:

•

wyjaśnić, czym różni się stan stacjonarny

od stanu równowagi

4/2007

Metodyka i praktyka szkolna

cji zobojętnienia słabego dwuprotonowego

kwasu szczawiowego mocną zasadą, wodo-

rotlenkiem sodu.

Zapiszcie równanie reakcji wodorotlen-

ku sodu z kwasem szczawiowym H 2 C 2 O 4 .

Jednym z produktów jest sól „obojętna”,

szczawian sodu. W jakim stosunku molo-

wym reagują ze sobą te substancje?

także wychodząc od produktów tej reakcji,

co zaobserwowaliście w doświadczeniu 2.

Zapis tej reakcji można przedstawić nastę-

pująco:

2NaOH + H 2 C 2 O 4

Na 2 C 2 O 4 +2H 2 O

Strzałki o przeciwnych grotach ozna-

czają, że w każdym momencie substancje

po lewej stronie przekształcają się w te po

stronie prawej, i odwrotnie. Podział na

substraty i produkty staje się umowny i za-

leży od sposobu zapisania równania reak-

cji. Wszystkie reagenty tworzą jeden układ ,

a reakcje zapisane „w prawo” i „w lewo” są

wzajemnie uwarunkowane.

Doświadczenie 1. i 2.

Odczynniki i sprzęt : roztwory mianowane

– 1 mol·dm – 3 NaOH i 0,5 mol·dm – 3 kwas

szczawiowy (sporządzone np. z gotowych

odważek analitycznych), fenoloftaleina, pi-

peta wielomiarowa 5 cm 3 , krystaliczny

szczawian sodu, woda destylowana, probów-

ki, szpatułka.

1. Do probówki wprowadź za pomocą pi-

pety po 5 cm 3 1 mol·dm – 3 roztworu NaOH

i 0,5 1 mol·dm – 3 roztworu kwasu szczawio-

wego. Zawartość wymieszaj. Czy użyte ilo-

ści zasady i kwasu są stechiometryczne?

Dodaj do otrzymanego roztworu 3 kro-

ple roztworu fenoloftaleiny. O czym świad-

czy różowe zabarwienie roztworu?

Wniosek: Mimo stechiometrycznej ilości

kwasu, część wodorotlenku sodu nie prze-

reagowała, zatem pozostała też część kwa-

su szczawiowego.

Odwracalność odnosi się do wszelkich

procesów molekularnych , także fizycznych,

np. takich jak rozpuszczanie czy przemiany

fazowe .

Część postępująca:

I. Równowagi chemiczne

N: Skoro reakcje mogą być odwracalne ,

to w chwili, w której ilości substratów

i produktów przestają zmieniać się, nie ma

postępu reakcji. Na poziomie makrosko-

powych parametrów układu zmiany już nie

zachodzą, natomiast na poziomie moleku-

larnym reakcje w obu kierunkach nadal

biegną, ale z jednakową niezerową szybko-

ścią. W tym samym czasie taka sama ilość

każdego z reagentów zanika, jak i powsta-

je. Stan taki nazywamy równowagą dyna-

miczną.

Warunkiem osiągnięcia przez reagenty

stanu równowagi jest dynamika procesów

molekularnych!

Nie wystarczy zmieszanie ze sobą re-

agentów.

Jeśli przypominacie sobie reakcję estry-

fikacji i odwrotną do niej reakcję hydroli-

zy, to odpowiadają one warunkom reakcji

odwracalnej. Sprawdźmy jakie warunki

trzeba zapewnić, aby można było osiągnąć

stan równowagi podczas hydrolizy aspiry-

ny, związku, który jest estrem kwasu

octowego.

2. Do probówki zawierającej ok. 10 cm 3

wody destylowanej dodaj szczyptę stałego

szczawianu sodu, wymieszaj do rozpuszcze-

nia soli, a następnie dodaj 3 krople roztwo-

ru fenoloftaleiny.

O czym świadczy różowe zabarwienie

roztworu?

Wniosek: Szczawian sodu reaguje z wo-

dą. Jednym z produktów jest wodorotlenek

sodu (drugim musi być kwas szczawiowy).

N: Sytuacja, którą zaobserwowaliście

w doświadczeniu 1. nie jest bynajmniej wy-

jątkowa. Reakcje chemiczne, w których

substraty nie przekształcają się całkowicie

w produkty są pospolite. Reakcje takie, to

reakcje odwracalne.

Stan, w którym nie obserwuje się dal-

szego postępu reakcji, można osiągnąć

Chemia w Szkole

Metodyka i praktyka szkolna

Doświadczenie 3.

Odczynniki i sprzęt: aspiryna, stężony

H 2 SO 4 , woda, pipeta, probówki, palnik

Do probówki wypełnionej w 1/3 wodą

wrzuć pół tabletki aspiryny.

Po rozpuszczeniu sprawdź zapach za-

wartości. Następnie ogrzej zawartość i po-

wtórnie sprawdź zapach.

Dodaj pipetą ok. 2 cm 3 stężonego kwasu

siarkowego, ogrzej i znowu sprawdź za-

pach.

N: O czym świadczy zapach octu w trze-

ciej próbie? U: Utworzył się kwas octowy,

tzn. zaszła reakcja hydrolizy.

N: Jaka była rola kwasu siarkowego w tej

reakcji? U: Był katalizatorem.

Wniosek: Hydroliza aspiryny (estru)

i dojście do stanu równowagi reakcji wyma-

ga niezerowej szybkości reakcji, tj. odpo-

wiedniej temperatury i katalizatora.

Jeżeli układ jest homogeniczny, to rów-

nowaga dotyczy jego każdego makrosko-

powego fragmentu. Oznacza to, że stan

równowagi takiego układu można opisać

podając tylko wartości parametrów nieza-

leżnych od wielkości układu, tzw. parame-

trów intensywnych. W szczególności są to

temperatura ( T ), ciśnienie ( p ) i stężenia

molowe wszystkich składników układu.

Różne stany równowagi to różne zestawy

wartości tych parametrów.

Każda reakcja w układzie izolowanym

może być traktowana jako odwracalna , a to

oznacza, że w stanie równowagi muszą wystę-

pować wszystkie reagenty, chociaż ilości (stę-

żenia) niektórych mogą być bardzo małe.

Problem : Jeżeli w danej chwili wszyst-

kie parametry poszczególnych części na-

szego ciała mają ustalone wartości, czy

oznacza to, że jako organizm jesteśmy

w stanie równowagi?

Dyskusja... nie dłuższa niż 5 minut! Na-

uczyciel koryguje wypowiedzi i wyjaśnia:

NIE! Chociaż parametry organizmu mogą

być w danej chwili stałe, organizm nasz

utrzymuje stałą temperaturę, ale ciągle

oddaje energię do otoczenia, wymienia

substancje z otoczeniem, reakcje utlenia-

nia biegną w jednym kierunku, etc. Stan

taki nazywamy stanem stacjonarnym.

Układ w równowadze musi być układem

izolowanym! Ale... W odniesieniu do jed-

nostkowych procesów w poszczególnych

częściach organizmu możemy mówić

o równowagach i do ich opisu stosować do-

brze poznane przez naukę prawa dotyczą-

ce równowag. Możemy wpływać na stan

tych równowag, a to może być kwestią ży-

cia bądź śmierci.

N: Makroskopowa szybkość reakcji

w stałej temperaturze osiąga po pewnym

czasie wartość zerową. Czas ten zależy

od szybkości reakcji, a wysoka temperatura

i katalizatory skracają go. Mamy wówczas

stan równowagi. W stanie tym wszystkie

parametry układu mają ustalone wartości

zwane wartościami równowagowymi . Kata-

lizator nie wpływa na równowagę , tylko

pozwala ją szybciej osiągnąć.

Definicje:

1. Układ jest izolowany, jeżeli nie wymienia

z otoczeniem masy (substancji) ani energii.

2. Układ homogeniczny składa się z jednej

fazy i może to być pojedyncza substancja,

mieszanina gazów lub roztwór

Uwaga!: Pojęcie fazy powinno być

uczniom znane lub trzeba je zdefiniować.

Wiąże się z tym pojęciem określenie parame-

try intensywne .

Uwaga: Tekst ćwiczeń uczniowie otrzy-

mują jako załącznik (załącznik I, s. 44).

Zasada przyrody: Jeżeli reakcja che-

miczna (lub dowolny proces molekularny)

biegnie w układzie izolowanym , to po ja-

kimś czasie ustali się stan równowagi,

w którym wszystkie parametry układu osią-

gają stałe wartości.

II. Prawo równowagi (prawo działania

mas)

N: Jeżeli w układzie homogenicznym za-

chodzi reakcja odwracalna przedstawiona

umownym zapisem:

4/2007

Metodyka i praktyka szkolna

a A + b B c C + d D

to w stanie równowagi stężenia molowe

wszystkich reagentów spełniają zależność,

która wynika z równania reakcji.

skojarzeń, nazwiemy je PRAWEM RÓW-

NOWAGI.

Funkcja stężeń równowagowych sub-

stratów i produktów, której postać wynika

z równania reakcji, ma dla danej reakcji,

w określonej temperaturze, wartość stałą.

Liczba ta to stała równowagi. W warun-

kach niezbyt wielkich ciśnień stała równo-

wagi zależy wyłącznie od temperatury.

Wartości stałych równowag uzyskuje-

my z pomiarów, np. stężeń równowago-

wych lub związanych z nimi innych wielko-

ści. Na podstawie wartości liczbowej tej

stałej możemy stwierdzić, czy w stanie rów-

nowagi reakcji przeważają substraty

( K << 1), produkty ( K >> 1), czy też ilo-

ści substratów i produktów są porównywal-

ne ( K ~ 1) (załącznik II).

[C] [D]

[A] [B]

a b

K jest dla reakcji w stałej temperaturze

wielkością stałą (liczbą) i nazywa się stałą

równowagi reakcji . Zależność ta została

odkryta doświadczalnie i nazwana prawem

działania mas (tzw. „ masy aktywne ”, to

w dawnej terminologii stężenia). Prawo to

jest wnioskiem z praw termodynamiki dla

układów w stanie równowagi i ma ogólniej-

sze odniesienia, także do procesów fizycz-

nych. Traktujcie je jako prawo przyrody .

Ponieważ jego nazwa nie nasuwa żadnych

Załącznik I

Ćwiczenia: „Odwracalność procesów chemicznych i fizycznych”.

1. Jeżeli ogrzewamy w otwartym tyglu węglan wapnia, to reakcja zachodzi do końca

i otrzymujemy tlenek wapnia i dwutlenek węgla.

CaCO 3 ( s ) CaO( s ) + CO 2 ( g ) s – substancja stała, g – gaz

Tlenek wapnia przechowywany w otwartym pojemniku, w temperaturze otocze-

nia przekształci się całkowicie w węglan wapnia, tzn. zachodzi reakcja odwrotna.

Obie reakcje są jednak nieodwracalne. Jakie warunki powinny być spełnione, aby

reakcja była odwracalna, tj. osiągnęła stan równowagi?

Zapisać wniosek: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Jeżeli do szklanki z lodem dolejemy wody i będziemy kontrolowali temperaturę

mieszaniny, to po pewnym czasie ustali się ona na wartości 0°C.

– Czy oznacza to, że ustalił się stan równowagi dla procesu topnienia? (co dzieje się

z ilościami obu faz?)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

– Jakie warunki powinny być zapewnione, aby stan równowagi został osiągnięty?

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Wniosek: Do utrzymania stanu równowagi nie wystarczy, aby układ był zamknię-

ty. Nie może on też wymieniać energii z otoczeniem.

Chemia w Szkole

Metodyka i praktyka szkolna

Załącznik II

Uwaga: Pierwsze przykłady rozwiązujemy na lekcji, zaś pozostałe są zadaniem do-

mowym.

1. Zapisz prawo równowagi (wyrażenie na stałą równowagi) dla następujących re-

akcji w układach homogenicznych:

a. 2SO 2 ( g ) + O 2 ( g )

2SO 3 ( g ) K a =

b. COCl 2 ( g )

CO( g ) + Cl 2 ( g ) K b =

K b = 12,2 (900 K)

c. H 2 ( g ) + Cl 2 ( g )

2HCl( g ) K c =

K c = 1,8·10 33 (298 K)

d. COCl 2 ( g ) + H 2 ( g ) CO( g ) + 2HCl( g ) K d =

e. HClO( aq ) H + ( aq ) + ClO – ( aq ) K e = K e = 5·10 –8 (298 K)

f. NH 4 + ( aq ) + PO 4 3– ( aq ) NH 3 ( aq ) + HPO 4 2– ( aq ) K f =

g. NH 4 + ( aq ) + H 2 O NH 3 ( aq ) + H 3 O + ( aq ) K g = K g = 5,6·10 –10

h. PO 4 3– ( aq ) + H 3 O + ( aq ) HPO 4 2– ( aq ) + H 2 O K h = K h = 7,7·10 13

2. Ze sformułowania prawa działania mas wynika, że:

A. Stała równowagi reakcji zapisanej w odwrotnym kierunku jest równa 1/ K .

B. Stała równowagi reakcji zapisanej jako suma równań reakcji 1 i 2 jest równa

K 1 · K 2

C. Stała równowagi reakcji zapisanej jako różnica równań reakcji 1 i 2 jest równa

K 1 / K 2

Sprawdź, na podstawie ćwiczenia 1, że:

1. K d = K b · K c 2. K h = K f / K g

3. dla reakcji 2SO 3 2SO 2 + O 2 ; K =1/ K a

– Jakie praktyczne znaczenie mają te właściwości? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

– Oblicz wartości: K d i K f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

– Na podstawie wartości liczbowych stałych równowag z ćwiczenia 1 określ, czy

w podanych warunkach równowaga „sprzyja” produktom reakcji, czy substratom.

3. A. Oblicz wartość stężeniowej stałej równowagi syntezy amoniaku

N 2 ( g )+3H 2 ( g ) 2NH 3 ( g )

jeżeli w temp. 200°C równowagowe stężenia wynoszą: [N 2 ] = 2,12 mol·dm – 3 ,

[H 2 ] = 1,75 mol·dm 3 , [NH 3 ] = 84,3 mol·dm – 3 .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

B. Dla reakcji przedstawionej równaniem: PCl 5 ( g ) PCl 3 ( g ) + Cl 2 ( g ) stała

równowagi w temp. 500°C, K = 35. Jakie jest stężenie równowagowe Cl 2 , jeże-

li stężenia PCl 5 iPCl 3 wynoszą odpowiednio 0,015 mol·dm – 3 i 0,78 mol·dm – 3 ?

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Porównaj stężenia obu produktów tej reakcji. Czy wynik obliczenia jest dla Cie-

bie zaskakujący?

Komentarz nauczyciela : Jak pamiętasz, stan równowagi układu można osiągnąć

wychodząc z substratów lub produktów bądź mieszając ze sobą jedne i drugie. Stężenia

równowagowe nie muszą być w relacji molowej wynikającej z równania reakcji, nato-

miast ich zmiany na skutek postępu reakcji zawsze!

4/2007

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: