מנת ריכוזים


מנת ריכוזים

בשיעור הקודם למדנו לחשב את ערכו של קבוע שיווי משקל, והבנו מה הוא מבטא.

נחזור ונציין: ערכו של קבוע שיווי המשקל הוא ערך קבוע, כל עוד לא שינינו אף אחד משלושה גורמים אלה:

  1. המערכת;
  2. הניסוח (זאת אומרת, שלא שינינו את מקדמי התהליך, ולא הפכנו את ניסוח התהליך);
  3. טמפרטורת המערכת.

כעת נראה, איך באמצעות ערכו של קבוע שיווי המשקל, וכן באמצעות נתוני המערכת בנקודת זמן כלשהי (התחלה, או כל זמן אחר), ניתן לקבוע אם המערכת נמצאת במצב שיווי משקל, או שטרם הגיעה למצב שיווי משקל. כמו-כן, ניתן לראות באמצעות קבוע שיווי המשקל, שינויים בריכוזי המגיבים והתוצרים (היינו, לראות אם הם ירדו או יעלו) עד שהמערכת תגיע לשיווי משקל.

כדי להבין למה הכוונה, נתבונן במקרה זה:

עבור התהליך:
מנת ריכוזים 1בטמפרטורה של 500K ידוע ש- Kc=4.

מקרה I

למכל תגובה הנמצא בטמפרטורה של 500K הכניסו [A] = 1M , [B] = 4M.

האם המערכת בשיווי משקל?

כדי לקבוע אם המערכת בשיווי משקל, נבדוק אם מכפלת ריכוז התוצרים המחולקת במכפלת ריכוז המגיבים, מקיימת את ערכו של Kc, כלומר, שווה לערכו של Kc. במקרה זה היא אמורה להיות שווה ל-4.

לשם כך, נרשום את הביטוי שבו נציב את הערכים. ביטוי זה זהה לחלוטין לביטוי של קבוע שיווי המשקל, אך אנחנו קוראים לו מנת ריכוזים, והוא מסומן באות Q.

משתמשים במנת ריכוזים כאשר אין יודעים אם המערכת במצב שיווי משקל או שאינה בשיווי משקל.

את הבדיקה נעשה כך:

= 4 4 = [B] Q =
1 [A]

במקרה זה קיבלנו:

Q = Kc

ערכה של מנת הריכוזים שווה לערכו של קבוע שיווי המשקל, עבור המערכת הנתונה, בטמפרטורה של 500K. מכאן שהמערכת נמצאת בשיווי משקל.

זאת אומרת, שבריכוזים שבהם השתמשו במקרה זה, ושאותם הכניסו למכל התגובה I, מהירות התגובה הישירה ומהירות התגובה ההפוכה שוות. כאמור, המערכת בשיווי משקל.

מקרה II

עבור אותה המערכת:

מנת-ריכוזים-2

בטמפרטורה של 500K הכניסו למכל התגובה [A] = 0.5M , [B] = 5M.

האם המערכת בשיווי משקל?

כדי לקבוע אם המערכת נמצאת בשיווי משקל, נבדוק את מנת הריכוזים למקרה זה:

= 10 5 = [B] Q =
0.5 [A]

במקרה זה קיבלנו:

Q ≠ Kc

מכאן שהמערכת אינה בשיווי משקל. ניתן לקבוע שמהירות התגובה הישירה, בנקודת הזמן שבה הכניסו את החומרים לתוך מכל התגובה, שונה מן המהירות בתגובה ההפוכה.

מה יקרה כעת במערכת הנתונה לריכוז המגיבים ולריכוז התוצרים?
איזה מהם יעלה, איזה ירד, ואיזה לא ישתנה עד שהמערכת תגיע לשיווי משקל?
איזו תגובה מהירה יותר כעת, התגובה הישירה או ההפוכה? שכן, התגובות אינן שוות במהירותן בנקודת הזמן בה הוכנסו החומרים למכל התגובה.

כדי לקבוע מה יקרה למערכת מנקודת הזמן הזו, יש להבין, בשלב הראשון, שהמערכת תגיע בסופו של דבר למצב שיווי משקל, ובמצב שיווי משקל, מכפלת ריכוז התוצרים המחולקת במכפלת ריכוז המגיבים תהיה שווה ל-4 (כמו שנתון לנו בהתחלה, Kc=4), כי מדובר באותה המערכת הנמצאת באותה טמפרטורה, וכל עוד לא שינו את הגורמים האלו, ערכו של קבוע שיווי משקל אינו משתנה.

במקרה זה, כאמור

Q > Kc

ולכן, עד שהמערכת תגיע מחדש לשיווי משקל, ערכה של מנת הריכוזים (ששווה ל-10) ילך ויקטן, עד שישתווה לערכו של קבוע שיווי המשקל (ששווה ל-4).

נחשוב מתמטית:

מדובר במנה שבה המונה מכיל את מכפלת הריכוזים של תוצרי התגובה, והמכנה מכיל את מכפלת הריכוזים של המגיבים בתהליך.
כדי שערך המנה ילך ויקטן, צריך ערך המונה, דהיינו ריכוז התוצרים, לקטון, וערך המכנה, כלומר, ריכוז המגיבים, צריך לגדול.

כעת נחבר זאת לתהליך המנוסח לנו:

מנת ריכוזים 1

אם אנו צופים שריכוז המגיבים (A) יעלה ושריכוז התוצרים (B) ירד:
דבר זה יקרה רק אם התגובה ההפוכה(התגובה בה מולקולות של חומר B הופכות למולקולות של חומר A) תהיה מהירה יותר מן התגובה הישירה.
לכן ניתן לומר את הדברים האלה:

אם חישבנו את ערכה של מנת הריכוזים, ומצאנו שערכה גדול מערכו של קבוע שיווי המשקל (כמו במקרה הזה), התגובה ההפוכה תהיה מהירה יותר. במשך הזמן, עד שהמערכת תגיע למצב של שיווי משקל מחדש, ריכוז התוצרים/המונה (B) ילך וירד, ואילו ריכוז המגיבים/המכנה (A) ילך ויעלה. לכן, ערכה של מנת הריכוזים ילך ויקטן עד שישתווה לערכו של קבוע שיווי המשקל.

רק כשערכה של מנת הריכוזים (Q), ישתווה לערכו של קבוע שיווי המשקל Kc, ישתוו מהירויות שתי התגובות (הישירה וההפוכה), והמערכת, כאמור, תהיה בשיווי משקל.

לסיכום מקרה II:

עד שהמערכת תגיע לשיווי משקל, ריכוז חומר B ילך וירד, ואילו ריכוז חומר A ילך ויעלה.
עד שהמערכת תגיע לשיווי משקל, מהירות התגובה ההפוכה תהיה גבוהה יותר ממהירות התגובה הישירה.

מקרה III

עבור אותה המערכת

מנת-ריכוזים-2

בטמפרטורה של 500K הכניסו למכל התגובה [A] = 2M , [B] = 3M.

האם המערכת בשיווי משקל?

כדי לקבוע אם המערכת נמצאת בשיווי משקל, נבדוק את מנת הריכוזים למקרה זה:

= 1.5 3 = [B] Q =
2 [A]

במקרה זה קיבלנו:

Q ≠ Kc

המערכת אינה בשיווי משקל.

מה יקרה כעת במערכת הנתונה לריכוז המגיבים ולריכוז התוצרים?
איזה מהם יעלה, איזה ירד, ואיזה לא ישתנה עד שהמערכת תגיע לשיווי משקל?
איזו תגובה מהירה יותר כעת, התגובה הישירה או ההפוכה?

כדי לקבוע מה יקרה למערכת מנקודת הזמן הזו, יש להבין, בשלב הראשון, שהמערכת תגיע בסופו של דבר למצב שיווי משקל. ובמצב שיווי משקל, מכפלת ריכוז התוצרים המחולקת במכפלת ריכוז המגיבים תהיה שווה ל- 4 (כמו שנתון לנו בהתחלה, Kc=4). כי מדובר באותה המערכת הנמצאת באותה טמפרטורה, וכל עוד לא שינו את הגורמים האלו, ערכו של קבוע שיווי משקל לא משתנה.

במקרה זה, כאמור

Q < Kc

ולכן, עד שהמערכת תגיע מחדש לשיווי משקל, ערכה של מנת הריכוזים (ששווה ל-1.5) ילך ויגדל, עד שישתווה לערכו של קבוע שיווי המשקל (ששווה ל-4).

שוב, נחשוב מתמטית:

מדובר במנה שבה המונה מכיל את מכפלת הריכוזים של תוצרי התגובה, והמכנה מכיל את מכפלת הריכוזים של המגיבים בתהליך.
כדי שערך המנה ילך ויגדל:

  • ערך המונה, דהיינו ריכוז התוצרים, צריך לגדול, וגם:
  • ערך המכנה, כלומר, ריכוז המגיבים, צריך לקטון.

כעת נחבר זאת לתהליך המנוסח לנו:

מנת ריכוזים 1

אם אנו צופים שריכוז המגיבים (A) צריך לרדת, וריכוז התוצרים (B) צריך לעלות:
דבר זה יקרה רק אם התגובה הישירה (התגובה בה מולקולות של חומר A הופכות למולקולות של חומר B) תהיה מהירה יותר מהתגובה ההפוכה.
ולכן ניתן לומר את הדברים האלה:

אם חישבנו את ערכה של מנת הריכוזים, וערכה קטן מערכו של קבוע שיווי המשקל (כמו במקרה הזה), התגובה הישירה תהיה מהירה יותר, ולכן, במשך הזמן, עד שהמערכת תגיע למצב של שיווי משקל מחדש, ריכוז התוצרים/המונה (B) ילך ויעלה, ואילו ריכוז המגיבים/המכנה (A) ילך וירד. לכן, ערכה של מנת הריכוזים ילך ויגדל עד שישתווה לערכו של קבוע שיווי המשקל.

רק כאשר ערכה של מנת הריכוזים (Q) ישתווה לערכו של קבוע שיווי המשקל Kc, ישתוו מהירויות שתי התגובות (הישירה וההפוכה), והמערכת, כאמור, תהיה בשיווי משקל.

לסיכום מקרה III:

עד שהמערכת תגיע לשיווי משקל, ריכוז חומר B ילך ויעלה, ואילו ריכוז חומר A ילך וירד.
עד שהמערכת תגיע לשיווי משקל, מהירות התגובה הישירה תהיה גבוהה יותר ממהירות התגובה ההפוכה.

נסכם את כל המקרים בטבלה:

המשך התוכן בעמוד זה למנויים בלבד

אם הינך מנוי/ה אנא הכנס שם משתמש וסיסמא!

לרכישת מנוי לחץ כאן