Zadanie 1. Równowagi

Obliczenia chemiczne przyzwyczaiły nas do tego, że reakcja zachodzi do końca, tzn. do momentu, w którym jeden z substratów zwyczajnie się skończy. Tymczasem reakcje odwracalne biegną do momentu ustalenia się stanu równowagi. Oczywiście jest to pewne uproszczenie. Osiągnięcie stanu równowagi nie oznacza, że reakcja przestaje biec – przemiany zachodzą dalej, ale szybkość reakcji tworzenia produktów i ich przemiany w substraty jest taka sama. Patrząc z zewnątrz wydaje się, że reakcja nie zachodzi, bo stężenia reagentów nie ulegają już zmianie.

Dzisiaj pokażę jak rozwiązywać typowe zadania maturalne. Zróbmy to na przykładzie (CKE maj 2016, stara formuła)

W temperaturze 800 K stężeniowa stała równowagi reakcji przebiegającej zgodnie z równaniem
CO (g) + H₂O (g) ⇄ CO₂ (g) + H₂ (g)
jest równa 4.
Oblicz, ile moli wody (w postaci pary wodnej) należy wprowadzić do reaktora o pojemności 1 dm³, w którym znajduje się 30 moli tlenku węgla(II), aby otrzymać 10 moli wodoru w temperaturze 800 K. Reakcja pary wodnej i tlenku węgla(II) przebiega w zamkniętym reaktorze.

Rozwiązanie tego typu zadań zaczynamy od zrobienia tabeli:
C₀ –  stężenie początkowe
ΔC –  ilość, która wzięła udział/powstała w reakcji
C_R –  stężenie równowagowe

Najczęściej pisze się tylko dwie kolumny. Ja wstawiam dodatkową dla osób, które mają problemy z odróżnieniem stężenia początkowego od ilości, która rzeczywiście przereagowała.

W zadaniu musimy obliczyć ile moli pary wodnej należy wprowadzić do reaktora, czyli nic innego jak stężenie początkowe H₂O.
Zacznijmy od produktów reakcji. Wiemy, że powinniśmy otrzymać 10 moli wodoru. Z równania reakcji wynika, że powstaje taka sama ilość H₂ i CO₂, więc ΔC będzie taka sama dla obu produktów. Nie mamy żadnej informacji o tym, że H₂ i CO₂ znajdowały się już w układzie, dlatego zakładamy ich stężenia początkowe jako 0.
Stężenie początkowe CO to 30 moli (bo tyle wprowadzmy do reaktora), a stężenie wody oznaczamy jako x. Wszytkie ilości są podane dla reaktora o pojemności 1dm³. Pamiętaj, że gdyby objętość była inna, konieczne byłoby przeliczenie ilości moli.

Ponieważ liczba moli substratów i produktów, która bierze udział w reakcji jest taka sama (wynika to z równania), wiemy, że ΔC będzie takie samo dla każdego z reagentów. Gdyby stosunki były różne, to środkową kolumnę trzeba by było przeliczyć. Pokażę to przy innym zadaniu.

Żeby wyznaczyć x będziemy potrzebować również stężeń równowagowych. Możemy je obliczyć ze stałej równowagi. Najpierw rozpiszmy je w tabeli, potem tylko wstawimy je do wzoru. Tabelę czytamy tak, jakby pomiędzy kolumną 2 i 3 był znak +/- (w zależności od tego czy substancji przybywa czy ubywa), a między 3 i 4 znak =. Stąd dla C_R dla CO będzie wynosiło 20, a dla wody x-10.

Kiedy rozpisaliśmy już wszystkie stężenia równowagowe, możemy podstawić je do wzoru na stałą równowagi:

Pamiętaj, że x jest już wynikiem końcowym (patrz: tabela)! Nie trzeba już niczego dodawać ani odejmować .

Powodzenia!