Viteza de reactie si echilibru chimic (legea actiunii maselor, principiul lui Le Chatelier)

Pe scurt

Viteza de reacție reprezintă variația concentrației unui reactant sau produs în unitatea de timp, fiind influențată de factori precum concentrația, temperatura, presiunea și catalizatorii. Echilibrul chimic este o stare dinamică în care vitezele reacțiilor directă și inversă sunt egale, iar Principiul lui Le Chatelier explică modul în care un sistem aflat în echilibru răspunde la modificări externe pentru a contracara efectul acestora.

Viteza de reacție și factorii care o influențează

Viteza de reacție reprezintă variația concentrației unui reactant sau produs în unitatea de timp. Factorii care influențează viteza de reacție sunt:

• Natura reactanților
• Concentrația
• Temperatura
• Presiunea (pentru gaze)
• Prezența catalizatorilor

Legea acțiunii maselor (Guldberg-Waage)

Pentru o reacție elementară de tipul aA + bB → cC + dD, legea acțiunii maselor afirmă că viteza este proporțională cu produsul concentrațiilor reactanților ridicate la puterea coeficienților stoichiometrici:

v = k [A]^a [B]^b

unde k este constanta de viteză. Această lege stă la baza cineticii chimice și explică modul în care variația concentrației influențează viteza.

Exemplu de calcul al vitezei de reacție

Pentru reacția 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(g)

• Inițial: [H₂] = 0,5 M, [O₂] = 0,5 M, k = 0,1 M⁻¹s⁻¹
• Viteza inițială: v = k [H₂]² [O₂]¹ = 0,1 × (0,5)² × 0,5 = 0,0125 M/s
• Dacă dublăm concentrația H₂ (la 1 M): v = 0,1 × (1)² × 0,5 = 0,05 M/s, deci viteza crește de 4 ori

Echilibrul chimic și constanta de echilibru

Echilibrul chimic este o stare dinamică în care vitezele reacțiilor directă și inversă sunt egale, iar concentrațiile tuturor reactanților și produșilor rămân constante.

Constanta de echilibru K (sau Kc) se exprimă prin raportul dintre produsul concentrațiilor produșilor și produsul concentrațiilor reactanților, fiecare ridicat la puterea coeficienților stoichiometrici, la o temperatură dată.

Pentru reacția generală: aA + bB ⇌ cC + dD

K = ([C]^c [D]^d) / ([A]^a [B]^b)

Exemplu de calcul al constantei de echilibru

Pentru reacția H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g), la 425°C

• [H₂]ech = 0,5 M, [I₂]ech = 0,5 M, [HI]ech = 1,0 M
• K = [HI]²/([H₂][I₂]) = 1,0²/(0,5 × 0,5) = 1/0,25 = 4
• Dacă adăugăm H₂ suplimentar, conform Le Chatelier, echilibrul se deplasează spre dreapta, dar K rămâne același la aceeași temperatură

Principiul lui Le Chatelier

Principiul lui Le Chatelier enunță că, dacă asupra unui sistem aflat în echilibru se exercită o modificare (concentrație, temperatură, presiune), echilibrul se deplasează în sensul care tinde să anuleze efectul modificării.

Efectele modificărilor asupra echilibrului

• Creșterea concentrației unui reactant deplasează echilibrul spre produși
• Creșterea temperaturii favorizează reacția endotermă
• Creșterea presiunii (prin comprimare) favorizează reacția care duce la un număr mai mic de moli de gaz

Aplicații industriale

Principiul lui Le Chatelier are aplicații industriale majore, de exemplu în sinteza amoniacului (Haber-Bosch) sau în obținerea acidului sulfuric.

Exemplu: Reacția N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) + căldură:

• Dacă mărim presiunea (prin comprimare), echilibrul se deplasează spre produși (NH₃), deoarece reacția directă reduce numărul de moli de gaz (4 moli → 2 moli)
• Dacă încălzim sistemul, reacția inversă (endotermă) este favorizată, scăzând randamentul în NH₃
• De aceea, în procedeul Haber se folosește presiune înaltă (200-300 atm) și temperatură moderată (450-500°C) cu catalizator de Fe

Verifică-te!

1. Care sunt factorii care influențează viteza de reacție și cum se exprimă matematic legea acțiunii maselor pentru o reacție elementară?

1. Ce reprezintă constanta de echilibru K și cum se calculează pentru reacția generală aA + bB ⇌ cC + dD?

1. Cum se deplasează echilibrul chimic atunci când se mărește presiunea într-un sistem gazos aflat în echilibru, conform Principiului lui Le Chatelier?