מנת ריכוזים


מנת ריכוזים

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

נחזור ונציין שערכו של קבוע שיווי המשקל הוא ערך קבוע, כל עוד לא שינינו אף אחד משלושת הגורמים:

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

כעת נראה, איך בעזרת ערכו של קבוע שיווי המשקל, וכן בעזרת נתוני המערכת בנקודת זמן כלשהי (התחלה, או כל זמן אחר), ניתן לקבוע האם המערכת נמצאת במצב שיווי משקל, או שעדיין לא הגיעה למצב שיווי משקל. כמו-כן, מה יקרה לריכוזי המגיבים והתוצרים (האם הם יקטנו או יגדלו) עד שהמערכת תגיע לשיווי משקל.

כדי להבין למה הכוונה, נתבונן במקרה הבא.

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

מקרה I

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

האם המערכת בשיווי משקל?

כדי לקבוע האם המערכת בשיווי משקל, נבדוק האם מכפלת ריכוז התוצרים חלקי מכפלת 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 אנחנו לא יודעים האם המערכת במצב שיווי משקל, או לא בשיווי משקל.

את הבדיקה נעשה באופן הבא:

= 4 4 = [B] Q =
1 [A]

במקרה זה קיבלנו ש:

Q = Kc

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

זאת אומרת, שבריכוזים שבהם השתמשו במקרה זה, והוכנסו למיכל 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 למיכל התגובה [A] = 0.5M , [B] = 5M.

האם המערכת בשיווי משקל?

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

= 10 5 = [B] Q =
0.5 [A]

במקרה זה קיבלנו ש:

Q ≠ Kc

ולכן, המערכת לא בשיווי משקל. ניתן לקבוע שמהירות התגובה הישירה, בנקודת הזמן שבה הכניסו את החומרים לתוך מיכל התגובה, לא שווה למהירות בתגובה ההפוכה. כלומר, המערכת לא בשיווי משקל.

מה יקרה כעת במערכת הנתונה לריכוז המגיבים ולריכוז התוצרים?
מי מהם יעלה ומי מהם ירד, או שהם לא ישתנו עד שהמערכת תגיע לשיווי משקל?
איזו תגובה מהירה יותר כעת, האם התגובה הישירה או התגובה ההפוכה? שכן, התגובות אינן שוות במהירותם בנקודת הזמו בה הכניסו את החומרים למיכל 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 חלקי מכפלת 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, במקרה זה 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 ריכוזי תוצרי התגובה, והמכנה מכיל את מכפלת ריכוזי המגיבים בתהליך.
כדי שערך המנה ילך ויקטן, ערך המונה צריך לקטון, דהיינו ריכוז התוצרים צריך לקטון, וערך המכנה צריך לגדול, כלומר, ריכוז המגיבים צריך לגדול.

כעת נחבר זאת לתהליך המנוסח לנו:

מנת ריכוזים 1

אם אנו צופים שריכוז המגיבים (A) צריך לגדול, וריכוז התוצרים (B) צריך לקטון.
זה יקרה רק אם התגובה ההפוכה תהיה מהירה יותר (התגובה בה מולקולות של חומר B הופכות למולקולות של חומר A).
ולכן ניתן לומר את הדברים הבאים:

אם חישבנו את ערכה של מנת הריכוזים, וערכה גדול מערכו של קבוע שיווי המשקל (כמו במקרה הזה), אז התגובה ההפוכה תהיה מהירה יותר. ולכן במשך הזמן, עד שהמערכת תגיע למצב של שיווי משקל מחדש, ריכוז התוצרים / המונה (B) ילך ויקטן, ואילו ריכוז המגיבים / המכנה (A) ילך ויגדל. ולכן, ערך 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 בש"מ.

לסיכום מקרה II

עד שהמערכת תגיע לשיווי משקל, ריכוז חומר B ילך ויקטן, ואילו ריכוז חומר A ילך ויגדל.
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 למיכל התגובה [A] = 2M , [B] = 3M.

האם המערכת בשיווי משקל?

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

= 1.5 3 = [B] Q =
2 [A]

במקרה זה קיבלנו ש:

Q ≠ Kc

המערכת לא בשיווי משקל.

מה יקרה כעת במערכת הנתונה לריכוז המגיבים ולריכוז התוצרים?
מי מהם יעלה ומי מהם ירד, או שהם לא ישתנו עד שהמערכת תגיע לשיווי משקל?
איזו תגובה מהירה יותר כעת, האם התגובה הישירה או התגובה 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 חלקי מכפלת 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, במקרה זה 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 ריכוזי תוצרי התגובה, והמכנה מכיל את מכפלת ריכוזי המגיבים בתהליך.
כדי שערך המנה ילך ויגדל:

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

כעת נחבר זאת לתהליך המנוסח לנו:

מנת ריכוזים 1

אם אנו צופים שריכוז המגיבים (A) צריך לקטון, וריכוז התוצרים (B) צריך לגדול.
זה יקרה רק אם התגובה הישירה תהיה מהירה יותר (התגובה בה מולקולות של חומר A הופכות למולקולות של חומר B).
ולכן ניתן לומר את הדברים הבאים:

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

לסיכום מקרה III

עד שהמערכת תגיע לשיווי משקל, ריכוז חומר B ילך ויגדל, ואילו ריכוז חומר A ילך ויקטן.
עד שהמערכת תגיע לשיווי משקל, מהירות התגובה הישרה 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