Miert szorzas van az egyensulyi allando kepleteben az osszeadas helyett (kemia)?

Itt két dolgot keversz. Az egyik, hogy a vízionszorzat, ahogy neve is mutatja egy SZORZAT. A másik, hogy a semleges vizes oldatban a két ion mennyisége azonos, és ez valamiért megzavar téged.

A megfigyelés az, hogy ez a vízionSZORZAT mindig állandó, azaz mindig ugyanaz az eredmény jön ki, nem pedig az összeg.

Tegyük fel, hogy két valaminek mindig 100 a szorzata. Akkor lehet az egyik valami mondjuk 2, a másik pedig 50, vagy az egyik valami 4, a másik pedig 25. DE PERSZE megeshet az is, hogy az egyik is meg a másik is 10, a szorzatuk akkor is 100.

Vizes oldatok esetében az a helyzet, hogy a két valami ami keletkezik, alap esetben azonos mennyiségben jön létre (olyani mint a "10+10"), ami miatt az összegük "20", a szorzatuk pedig "100" lesz. Attól hogy azonos a mennyiségük, még össze lehet szorozni őket (össze is lehetne adni, de az nem releváns, ugyanis az összegük nem állandó). A vizes oldatokra az is jellemző még, hogy ha az egyikből többletet adunk (mondjuk savból), akkor a másikból annyival kevesebb lesz, hogy a SZORZAT azonos maradjon. Vagyis 10+10-ből, ha 90 savat adunk az oldathoz, akkor 1+100 lesz (1*100 = 100). Nem az összeg marad állandó, hanem a szorzat. Képzeld el azt a helyzetet, hogy olyan sok savat adunk egy oldathoz, hogy az OH ionok mennyisége negatív lesz. ;) Na ezért sem tud az összeg állandó lenni.

(Általánosságban, mindenfajta reakcióállandó esetén szorozni kell a koncentrációkkal. Akkor is, ha a két partner koncentrációja azonos.)

Először is, a sűrűség szót most felejtsd el. A kémiában nincs olyan, hogy sűrűség, amire te itt gondolsz az a koncentráció. A sűrűség is egy létező dolog, azt jelenti, hogy egy anyagból egy liter mennyire nehéz. Az arany sűrűsége nagyobb a víznél, mert abból 1 liter 24 kiló, vízből pedig 1 liter csak 1 kiló.

Értem én, hogy ha valamiből sok van egymás hegyén-hátán, azt úgy is mondhatjuk, hogy sűrűbben állnak, de ezt kémiában koncentrációnak nevezik.

Na akkor vegyük nagyon-nagyon leegyszerűsítve. A reakciók úgy mennek végbe, hogy két atom (vagy egyéb részecske) találkozik, és valamit csinálnak egymással. Mondjuk vegyük a legegyszerűbbet: egyesülnek. Ha van egy térrészünk, ami zsúfolásig van tömve ezzel a kétfajta atommal, akkor gyakran fognak találkozni, és gyakran fognak egyesülni, ha ritkán állnak, akkor ritkán. Az, hogy mennyire ritkán állnak, no ezt pont a koncentráció írja le.

Ez egy valószínűségi esemény, azaz olyasmi, amit a matekban a valószínűségszámítás órán vettetek. Ott is ugye az van, hogy független események valószínűségét szorozni kell, például annak az esélye, hogy két dobókockával egymás után 2-szer dobok hatost, pontosan (1/6) * (1/6) = 1/36.

Az tehát hogy miért kell a reakcióknál szorozni, az pont emiatt van, azaz azért, mert mélyen elrejtve az egész rendszerben valamiféle valószínűségi dolog áll. Pont ezért, ha az egyik reagensből feleannyi van, akkor - ha ugyanolyan reakciót akarunk - a másikból nem annyit kell adni, hogy az eredeti összegük megegyezzen; hanem annyit, hogy a szorzatuk megegyezzen - azaz a másikat meg kell duplázni. Így lesz ugyanolyan esély, hogy random mozgással találkozzanak. (Pl. ha eddig 10+10 volt, akkor ha az egyiket levisszük 5-re, akkor a másikat nem 15-re kell felvinni hogy 20 legyen az összegük, hanem 20-ra, hogy 100 legyen a szorzatuk.)

Namost a víz az egy furcsa jószág, mert amikor csak úgy magában van, akkor kicsit elbomlik: proton (H+) és hidroxil (OH-) lesz belőle, most felejtsük el hogy a proton ráugrik egy másik vízre és oxóniumot alkot (H3O+). Nyilván ha csak víz volt jelen, akkor egy vízből egy proton és egy hidroxil lesz. Ugyanakkor ezek a protonok és hidroxilok újra össze is tudnak állni vízzé, azaz egy ilyen csiki-csuki megy. Vízből H+ és OH-, majd újra víz. De ahogy mondtam, az újra vízzé összeállás az egy reakció, aminek a sebessége attól függ, hogy mennyi a H+ és az OH- koncentrációja.

A víz bomlása pedig valamilyen adott fix sebességgel megy. Vagyis mi történik? a víz bomlik egyet, keletkezik 1 db H+ és 1 db OH-. Ezek nagyon kevesen vannak, nagyon nagyon nehezen találják meg egymást hogy újra egyesüljenek, ezért idő közben megint elbomlik egy víz. Most már 2+2 H+ és OH- van az oldatban, ezek még mindig nehezen találják meg egymást. Megint elbomlik egy víz. Most újra egyesül egy elbomlott víz, de idő közben megint elbomlott egy. Ahogy egyre több H+ és OH- van az oldatban, egyre gyorsabban egyesülenk újra, és a bomlás-egyesülés egyensúlya akkor történik meg, amikor pont elérjük ezt a bűvös 10^(-7) koncentrációt. Vagyis itt pont annyi van mindenből, hogy minden pillanatban annyi víz bomlik el amennyi újra is egyesül, azaz egyensúly van.

De ahogy mondtam, az újra egyesülés egy reakció, azaz egy valószínűségi esemény. Tegyük fel, egy adott térfogatban pont 10 víz elbomlásánál áll be az egyensúly, azaz mindig 10+10 H+ és OH- van jelen. Amint elbomlik egy víz, egyesül egy másik. De mi van akkor, ha hirtelen bedobunk 10 H+ iont az oldatba, de nem dobunk OH--t? Akkor most 10+20 van, amik ezáltal gyorsabban tudnak egyesülni vízzé, mint ahogy a többi víz szét tud bomlani (nagyobb eséllyel találják meg egymást). Vagyis most előbb lesz 9+19, majd 8+18 stb. A sebesség nem akkor fog kiegyenlíteni a bomlással, amikor az összegük eléri a 20-at (azaz 5+15), hanem amikor a szorzatuk eléri a 100-at (kb 6+16, mert az 96).

Képzeljük el, hogy most nem 10, hanem 99 H+-t dobunk be: van 10+109 ionunk. Ezek most nagyon gyorsan elkezdenek vízzé egyesülni az ott levő OH- ionokkal: 9+108, 8+107 stb. Először is vegyük észre, hogy a 20-as összeget soha nem fogjuk elérni, mert amikor mind a 10 OH- eltűnt, újra egyesült vízzé egy H+-nal, akkor még mindig van 99 H+, ami sehogy se fog tudni újra egyesülni vízzé, mert nincs mivel (0+99 = 99, nem pedig 20). Más részről pedig ahogy fogynak az OH- ionok, úgy lesz egyre nehezebb az újra egyesülés, mert egyre nehezebben találja meg őket az a sok H+ ion. Amikor már csak 3 OH- van, akkor már nagyon lassú a dolog (és ne feledjük, a víz közben időnként bomlik egyet), úgyhogy pont akkor fog újra beállni az egyesülés-bomlás egyensúlya, amikor 1 OH- és 100 H+ marad. Vagyis amikor a szorzatuk 100, nem pedig amikor az összegük 20.

Amikor savat vagy lúgot oldunk vízben, akkor pont ez történik. Bedobunk egy csomó H+ vagy OH- iont, aminek nincs párja. Ezért az elbomlott vizek rájuk eső párjával kezdenek egyesülgetni addig, amíg vissza nem áll az az egyensúly, hogy annyi víz bomlik el épp, amennyi újra egyesül. És ez akkor történik meg, amikor a szabadon maradt OH- és H+ ionoknak nem az összege, hanem a szorzata eléri a vízionszorzatot.

(Mindez nagyon gyorsan lejátszódik, a másodperc töredéke alatt.)

Ha valamit otthagysz egy lezárt kémcsőben, az soha nem fog magától megváltozni, ez igaz. Mitől is változna?

H+ és OH- ionokat úgy dobok a rendszerbe, hogy fogom a NaOH pasztillát mondjuk vagy a HCl gázt mondjuk és konkrétan beledobom vagy egy csövön át beleoldom a vízbe.

A NaOH pasztilla ezután szétesik Na+ és OH- ionokra, és voila, ott vannak az extra OH- ionjaink, amik most részt fognak venni a fenti vízzé egyesüléses játékban egészen addig, amíg a vízionszorzat helyre nem áll, mégpedig többlet OH- fog keletlezni. A Na+ ionok ebben nem vesznek részt. Ugyanígy HCl esetében, csak az H+ ionokra és Cl- ionokra bomlik (disszociál).