Értelmezze: "Az egyensúlyi állandó és a sztöchiometriai egyenlet, valamint az egyensúlyi koncentrációk kapcsolatát" ill. "A katalizátor és az egyensúlyi folyamatok kapcsolatát" ?

Megfordítható reakció: olyan reakció, amelyben a termékek képesek arra, hogy visszaalakuljanak reagenseiké. Egy jó példa erre az ammóniaszintézis:

N2 + 3H2 <=> 2NH3

Ha magára hagyjuk a rendszert, az oda- és visszaalakulás mértéke (azaz az odaalakulás és visszaalakulás sebessége) egy idő után meg fog egyezni. Ezt az állapotot úgy hívjuk, hogy egyensúlyi állapot, amely egy dinamikus egyensúly. Az egyensúlyi állapotra pedig érvényes a Le Chateliér-Braun elv.

Ez kimondja, hogy az egyensúlyi rendszerben olyan folyamatok játszódnak le, amelyek kompenzálni igyekeznek a rendszert ért behatást.

Másképp megfogalmazva: ha egy külső behatás miatt pl. csökken a rendszer nyomása akkor azt olyan módon igyekszik kompenzálni, hogy több gáz szabaduljon fel a kémiai átalakulás során. Azonban többféleképp is el lehet tolni egy reakciót. Ha a termékek képződésének irányába szeretnénk:

- Hővel. Exoterm reakció esetén az alacsonyabb hőmérséklet, endoterm esetén a magasabb kedvez.

- Nyomással azon esetben, ha legalább egy gázfázisú komponens található a rendszerben (folyékokra gyakorlatilag nincs hatással). Ha a reakció mólszámnövekedéssel jár, akkor az alacsonyabb nyomás kedvez a lejátszódásnak. Ha a reakció során mólszámcsökkenés megy végbe (ammóniaszintézis esetén 4 mol anyagból képződik 2 mol), akkor a magasabb nyomás kedvez a lejátszódásnak.

- A komponensek koncentrációinak megváltoztatásával. Minél több reagens található a rendszerben, annál több termék képződik. Minél kevesebb termék található a rendszerben, annál inkább hajlamos a rendszer annak generálására. Tehát a termék elvonása a rendszerből is eltolja az egyensúlyt.

Írjuk fel egy egyszerű megfordítható reakció általános egyenletét:

aA + bB <=> cC + dD

Definíció szerint erre az egyenletre az egyensúlyi állandó:

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

Ez lényegében a tömeghatás törvényének matematikai megfogalmazása.

Ha belevesszük, hogy egyensúlyi reakciókban az oda- és visszaalakulás mértéke megegyezik akkor felírhatjuk, hogy:

K=r+/r-, ahol:

r+ az odaalakulás reakciósebessége

r- a visszaalakulás reakciósebessége

A reakciósebesség mértékére

K és k mértékegysége változó az egyenletben szereplő kitevők értékétől függően.

A reakciók kinetikai szempontból jellemezhetőek az ún. rendűséggel. Nulladrendű az a reakció, amelynek sebessége nem függ egyik komponens koncentrációjától sem. Elsőrendű amely 1, másodrendű amely két, "n"-ed rendű az a reakció, amelynél "n" komponens koncentrációja befolyásolja a reakció sebességét. Megemlítendő, hogy léteznek törtrendű reakciók is, tehát mondjuk valamely komponens 3/2-es kitevővel van jelen az egyenletben.

A reakciósebesség felírásának nincs általánosan használható egyenlete, mert függ a reakciósebességben részt vevő komponensek számától. Elsőrendű reakciók esetén a reakciósebesség csak egy komponenstől függ, azaz:

r=k*[A], ahol:

r a reakciósebesség

k a reakciósebességi állandó

[A] az "A" komponens koncentrációja

Arrhenius munkássága révén tudjuk, hogy:

k=k0*e^(-Ea/[R*T]), ahol:

k0 az ún. preexponenciális tényező

Ea a reakció lejátszatásához szükséges aktiválási energia

R az univerzális gázállandó

T a hőmérséklet

A reakciósebesség gyorsítására igen gyakran használatosak ún. katalizátorok. A katalizátorok olyan anyagok, amelyek olyan módon képesek a reakciók gyorsítására, hogy saját maguk nem szenvednek kémiai változást a reakció lejátszódását követően. Két fontos tényt kell tudni:

- A katalizátorok az egyensúlyt NEM tolják el (ez a valóságban nem minden esetben igaz, de érettségire ezt kell tudni), csupán meggyorsítják mind az oda, mind a visszaalakulás sebességét

- A katalizátorok a gyorsítást oly módon képesek véghezvinni, hogy csökkentik a reakció aktiválási energiáját

Plusz érdekesség: Arrhenius egyenletéből kitűnik, hogy "T" növelésével MINDEN esetben nő a reakciósebesség. Tehát ha példaként vesszük az ammóniaszintézist, ez alapján a reakciósebesség annál nagyobb lesz, minél nagyobb a hőmérséklet. Ezek szerint a lehető legmagasabb hőmérsékletet kéne biztosítani, és akkor sok termékünk is lesz mert gyorsan képződik. Itt azonban közbeszól az egyensúlyi állandó. A probléma ott van, hogy az ammóniaszintézis endoterm, tehát a magas hőmérséklet épp csökkenti az ammóniaképződés mértékét. Érthetőbben megfogalmazva: magas hőmérsékleten gyorsan beáll az egyensúlyi állapot, de abban kevés ammónia lesz jelen. Alacsony hőmérsékleten lassan áll be az egyensúly, de az egyensúlyi elegyben sok ammónia lesz jelen. Így a mérnököknek konszenzusra kell jutniuk a természettel reaktortervezés során. Némileg kevesebb hozammal is beérik, de cserébe relatíve rövid idő alatt termelődik a megfelelő mennyiségű termék.

Ezek után egy ötöst várok el érettségin.

Egy valamit még elrontottam, férfiasan bevallva.

K=k+/k-, és nem K=r+/r-.

Mivel a reakciósebességek egyensúlyban értelemszerűen mindig megegyeznek, így az utóbbi kifejezésre minden esetben K=1 értéket kapnánk. Tehát "K" értéke nem a reakciósebességek, hanem a reakciósebességi állandókkal arányos.