33
Chemical Equilibrium Equilibrium .

Chemical Equilibriumchem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...[N2O4] [NO2] [N2O4] [NO2] [NO2]2/[N2O4] 25 C FLAS: Chemical Equilibrium 8 0.0400 0.0000 0.0337 0.0125 4.64x10-3

  • Upload
    others

  • View
    25

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

���������Chemical

EquilibriumEquilibrium����������

�� ������������ ����������� .����������� �����������������

��� �

� �������������������������

� ����������������������� !" (K)

� ���������!��&��'�(�)

2FLAS: Chemical Equilibrium

�*'�'�'(�+����,��" (Reversible Reaction)� �*'�'�'(�+����,�� �!"�#��������$���%���&'�(�����)���� �#�������� "���'*�� �� ���

�'+�� ���'*�!��

���&���&" (reactant) +�'&���;) (product)

N2O4(g) 2NO2(g) �� ���,������' "����,������' "� (forward reaction)

3FLAS: Chemical Equilibrium

�� ���,������' "����,������' "� (forward reaction)N2O4(g) 2NO2(g)

�� ���,����("����,���,����("����, (backward reaction)2NO2(g) N2O4(g)

N2O4(g) 2NO2(g)� ������$����������� � ��"� NO2 �� N2O4

4FLAS: Chemical Equilibrium

(A) ���� N2O4 ��F���&���&" (B) ���� NO2 ��F���&���&"

��������� (Chemical Equilibrium)

� rf = ��&�������'��*'�'�'(����"�� "�� rb = ��&�������'��*'�'�'(�("����,

rf = kf[A] rb= kb[B]

k

kR

=

A B

5FLAS: Chemical Equilibrium

� rb = ��&�������'��*'�'�'(�("����,

� rf ��� rb �T���,��,�&'�UV��&�����������"��"��� ���&���&"����*'�'�' (���W

� ������&����' "����("����, ������ (rf=rb) ��,,X��(Y� ������ �������� ������"��"���������&�� �*'�'�'(�X������

������������������������

� �$"?�@&A�@�B$� C �!$"� **�� ��AD��?� � **�D�� @�?���$� �'���������$��������"� ��D �*'���D�� C �"�� **E ���$��D� ����� � ��"���� ���@����D� ����'� ��?��'��� �+�����D� �����V���&(dynamic equilibrium)

6FLAS: Chemical Equilibrium

�����V���& (Dynamic Equilibrium)

� Forward Reaction � rf = kf [A]

� Backward Reaction

A Bkf

kb

7FLAS: Chemical Equilibrium

� Backward Reaction � rb = kb [B]

Equilibrium

������������� (Equilibrium Constant; K)� ����'�'�I�� @�D�����������'+�� ��� ���%���&'�(��$��?�

N2O4(g) 2NO2(g)

Initial Conc. Equilibrium Conc. Equi. Const.

[N2O4] [NO2] [N2O4] [NO2] [NO2]2/[N2O4]

��� 25 °C

8FLAS: Chemical Equilibrium

0.0400 0.0000 0.0337 0.0125 4.64x10-3

0.0000 0.0800 0.0337 0.0125 4.64x10-3

0.0600 0.0000 0.0522 0.0156 4.64x10-3

0.0000 0.0600 0.0246 0.0107 4.64x10-3

0.0200 0.0600 0.0429 0.0141 4.64x10-3

�������V�h)��� NO2 ��� N2O4 � ���������� ��

K = [NO2]2 = 4.64 x 10-3

[N2O4]

* Law of mass action l �*'�'�'(�+����, � ���������������� �Y�'����� ��&����� T���� ����������"��"������&���&"���+�'&���;)���������� , K * Law of mass action l �*'�'�'(�+����, � ���������������� �Y�'����� ��&����� T���� ����������"��"������&���&"���+�'&���;)���������� , K (�������������)n

+��Y�������"��"+��Y�������"��"(reaction quotient, Q)(reaction quotient, Q)

DC dc ][][

������������� (Equilibrium Constant)� ���@�'*�#��������$�����B+�T��'+��"����� (single-step reaction)

aA + bB cC + dD������������E ��

kf

kb

Products

dcb

baf DCkBAk ][][][][ =

10FLAS: Chemical Equilibrium

KBA

DC

BA

DC

beq

aeq

deq

ceq

eq

ba

dc

==

=

][][

][][Q

][][

][][Q

� K ��]��D����$��?� (�B+��'*"?�@&A�)• K �� %���&'�(��� (kf >> kb)

• K � "� ����'+�� ��� (kf << kb)

b

eq

a

eq

d

eq

c

eq

b

f

BA

DC

k

k

][][

][][ K ==

Products

Reactants

+��Y�������"��" (Reaction Quotient)� Reaction Quotient (Q) �!" %��A������ � � @�!" %��A��"""�

���@�'*�#�������T� C aA + bB cC + dD

ba

dc

)()(

)()(

BaAa

DaCaQ =%��A������ � � =

11FLAS: Chemical Equilibrium

� a(X) �!"�''��&�� (activity) �"���� X

� �D��''��&��"�E�� ���� �'��+

��������� a(A) ≈ [A]

����� a(B) ≈ PB

�������� ������ !�"�#$%"& a(C) ≈ 1

ba

dc

][][

][][

BA

DCQ ≈

&���(���������������������

� PCl5(g) PCl3(g) + Cl2(g)

� H2(g) + I2(g) 2Hl(g)

][][][

5

23

PClClPClK =

][][][ 2

IHHIK =

12FLAS: Chemical Equilibrium

� H2(g) + I2(g) 2Hl(g)

� 2H2O2 (g) 2H2O(g) + O2(g)

][][][

22 IHHIK =

222

22

2

][][][

OHOOHK =

�,,rs� �� (1)

� E����������D� K� CO(g)+ ½ O2(g) CO2(g)

� FeO(s)+ CO(g) Fe(s) + CO2(g)

13FLAS: Chemical Equilibrium

� CH4(g)+ 2H2S(g) CS2(g) + 4H2(g)

� 2NO (g)+ Cl2(g) 2NOCl(g)

���������*'�'�'(��'�'hV�h�)� ��E�����#��������$�� �"*� ���������D�@�B$��'#&��

Pb2+(aq) + Zn(s) Pb(s) + Zn2+(aq)

� �D������ � ��"��"���l� (s) �� �"��@��*���?�I�m (l) �D����$

]][(s)[

](s)][[

2

2

+

+

=PbZn

ZnPbK

14FLAS: Chemical Equilibrium

� �D������ � ��"��"���l� (s) �� �"��@��*���?�I�m (l) �D����$

� �D� Kc �!"�D����$��?��!$"��E�����n�� ����� � � �"����� ���

][

][

(s)][

(s)][2

2

+

+

==Pb

Zn

Pb

ZnKKC

*� !"#! $% &' (& )*+,)+,-+�. +�./+0.1$2�+�.*13&4$#5678#9 = 1

FeO(s) + CO(g) Fe(s) + CO2(g)

� �D������ � ��"��"���l� (s) �� �"��@��*���?�I�m (l) �D����$*

])][([

]e(s)][[ 2

COsFeO

COFK =

][][ COFeO(s)

15FLAS: Chemical Equilibrium

][

][

][

][ 2

CO

CO

Fe(s)

FeO(s)KKC ==

���������*'�'�'(�����(��"����,��t�

N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)

T�����"���p� "�ET� ����'��������� � ��� q���D����$�$�� E �����D� K

3

22

2

3

]][[

][

HN

NHKC =

16FLAS: Chemical Equilibrium

� T�����"���p� "�ET� ����'��������� � ��� q���D����$�$�� E �����D� KP

3

2

22

3

HN

NH

PPP

PK =

�������V�h)�� ���� KC ��� KP� ����� � �(M) �!"��������(q�)�D"������(����)

� �s�"���p�RT

V

nPnRTPV

=→=

RTV

nP

=atm

mol

K

atm⋅⋅⋅⋅L mol-1 K-1

17FLAS: Chemical Equilibrium

M

][

][

RTBP

RTARTV

nP

B

AA

=

=

=

RTV

P

=L

K

aA + bB cC + dD

( ) )( gn

CP RTKK∆=

)()()( badcgn +−+=∆

( ) ( )( ) ( )

( ) )(

][][

][][

][][

][][ gn

ba

dc

bbaa

ddcc

b

B

a

A

d

D

c

Cp RT

BA

DC

RTBRTA

RTDRTC

PP

PPK

⋅⋅

=⋅

⋅=

⋅⋅

=

18FLAS: Chemical Equilibrium

∆n(g) �!" %��D��E����q��"���p�

� �!$" ∆n(g) = 0

� �!$" ∆n(g) ≠ 0 ( ) )(gn

CP RTKK∆=

CP KK =

( ) )( gn

PC RTKK∆−=

)()()( badcgn +−+=∆

&���(���� E�@��D����$��?��"��#�������

2 NO2(g) N2O4(g) �$ 25 °C �$&�� ��?� PNO2

= 0.150 atm PN2O4= 0.160 atm

( )111.7atm 111.7

atm 150.0

atm 160.0 1

22

2

42 ==== −

NO

ON

PP

PK

19FLAS: Chemical Equilibrium

( )atm 150.02NOP

Kc = Kp(RT) -∆∆∆∆n = 7.111 atm-1 (RT) -∆∆∆∆n

∆n = 1-2 = -1

Kc = 7.111 atm-1 (0.082 L atm mol-1 K-1 x 298.15 K) x(-1)

= 173.85

�*'�'�'(������'� ��(���&�� �*'�'�'(� 2A + B C + D

� step 1: 2A A2

� step 2: A2 + B C + D

2

21

][

][

A

AK =

]][[

][D][

2

2BA

CK =

20FLAS: Chemical Equilibrium

� �D� K �"��#���������

� �D� K �"��#��������D�D�E ����T��'+��"�����@�!" @����'+��"�E �D���D��'�

][][

][D][

]][[

][D][

][

][

2

2

2

221

BA

C

BA

C

A

AKKK ===

�"���������(���,�������������1. ���� *?�D����$��?� � "�� *?�������� "?�@&A� () �T�

�'�� ���I�m�D���'��D� K E �D���'�)H2(g) + I2(g) 2HI(g)

]][[

][

22

2

IH

HIK =

21FLAS: Chemical Equilibrium

2. 2H2(g) + 2I2(g) 4HI(g )

]][[ 22 IH

2

2

2

2

2

4

][][

][K

IH

HIK =='

2. ) ��������������#�������� "���'* �D����$��?�E ��]��D����'*�"��D����$��?����

2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)

][O][

]O[

2

2

2

2

ON

NK =

22FLAS: Chemical Equilibrium

2NO2(g) 2NO(g) + O2(g)

KN

ONK

1

]O[

][O][2

2

2

2

=='

3. ���@�'*�#��������$�� �"*� ��@����'+��"��D"�K ���"��#������� = %��A��D� K �"��#��������D"�

K = K1·K2·K3z4. ����� � ��"� �"��@���� �"���l�*���?�I�m �D����$ (= 1)

�D� K �$�� E ��]� K

23FLAS: Chemical Equilibrium

�D� K �$�� E ��]� Kc

5. ����)T� ����'��������� � ��"���p�T���� @��D� K

({B$�E ��]� KP)

�������� �������"��"��������1. ���(��������������������2. �������"��"�������&���&��

� ������"��"��'��&" ([A]0, [B]0, [P]0)� ������"��"��������(������ (x)� ������"��"�������� ([A]0xx, [P]0+x)

3. �����������"��"���������������&���&��(��Fyz��)!���� x)

24FLAS: Chemical Equilibrium

3. �����������"��"���������������&���&��(��Fyz��)!���� x) ������������������

4. ��"�������������������V�� ����������"��"��������(�� (x)5. �������"��"��������{�(����� x ����������"X���"� 4

&���(���� ��p��|q���E� 2 mol ����#��������'*��p��"q"�� 2 mol T@ ��p��|q���E��"q"����q��

���"�T�&��� 1 L �$"?�@&A� 450 °C �!$")B���?�E ��p���D� ������D�T�

�!$"�D� K = 50

H2(g) + I2(g) 2HI(g)� Initial 2 M 2 M 0 M

� Change -x M -x M +2x M

25FLAS: Chemical Equilibrium

� Change -x M -x M +2x M

� Equilibrium 2xx M 2xx M 2x M

( )( )xxx

IHHIK --

=�=22)2(50

]][[][ 2

22

2

( )xx-=

2)2(50

� �$��?� E �� � �$��?� E �� L-1mol6.11.72.142

=-=

xxx

12 Lmol4.00.2][ -=-= xH

26FLAS: Chemical Equilibrium

1

12

2

Lmol2.32][Lmol4.00.2][Lmol4.00.2][

-

-

===-==-=

xHIxIxH

���������!��&��'�(�) (Le Chatelier’s Principle)

� �!$"� **�$"�ADT��&�� ��?�)A��*������T@ ��?� �"�� **����� � **E ��'*�'���T��������$E ��� T@ %��� �*E����EE'��$�*���� **�'+�����@�!" �@�!"� "��$�?��� �� **E �� ��AD��?�T@D"���'+�

����� ��AD��?��"�� **E ���$E�����T��l��

27FLAS: Chemical Equilibrium

� ����� ��AD��?��"�� **E ���$E�����T��l��

�zXX�(�����+�&�������

�� ������"��"������"��":: ����V'�� ����������"��"������ �*'�'�'(�X���� "��������� ���(�� (Q≠≠≠≠K) �*'�'�'(�X����,&���V�� "���+��Y�������"��" (Q) ������,������������� (K) �������� (�����+�&�� K)

�� ������������:: ����V'�� ����������X����+�&����'��&��������*'�'�'(�X� ���,&���� �'}��������� "��'�����V'����'��&� ������'��&��V�� ���"����,�����������������(������ (�����+�&�� K)

28FLAS: Chemical Equilibrium

���,&���� �'}��������� "��'�����V'����'��&� ������'��&��V�� ���"����,�����������������(������ (�����+�&�� K)

�� ��� �Y�'��� �Y�':: ��������(������� �Y�'X���� "��� K �����(���� �*'�'�'(�X����,&���V�� "���+��Y�������"��" (Q) ������, ������������� (K) ��� ��: ���@�'*�#�������������� "� �D� K E �����!$"���$"?�@&A� (�!$"���$"?�@&A� ����@�D���?�E ��!$"������{p��): ���@�'*�#��������A����� "� �D� K E ���$�B+��!$"���$"?�@&A� (�!$"���$"?�@&A� ����@�D���?�E ��!$"���������)

������,&����������

� �������� +��Y�������"��" = K

� ���������~Y��,��� ������"��" ������→→→→ Q �����(

� ��� �Y�'→→→→ K �����(

��,,X����,&����"��Y������ �� ({�(���,��� Q)

29FLAS: Chemical Equilibrium

� ��,,X����,&����"��Y������ �� ({�(���,��� Q)� ����������������� (�V'��+�'&���;))

� ���������������"�( (�V'�����&���&")

� ����� ��

'' KQ →

'' KQ eq =

�'�h'V����������"��"&�������N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)

� ��������

� �����&'� N2(g) �� H2(g) X��,���������� "

KHN

NH=

3

22

2

3

]][[

][

30FLAS: Chemical Equilibrium

�����&'� N2(g) �� H2(g) X��,���������� "

� �����&'� NH3(g) X��,�������{�(��� "

KHN

NH<

3

22

2

3

]][[

][����� N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)

KHN

NH>

3

22

2

3

]][[

][ N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)

3>5 $?@A.?,- *"#B)C3#?D@%EF

>@.-@A- *"#B)5 $?@A.?,- 3>C3#?D@%EF

KHN

NH =3

22

23

]][[

][

�V��

�V��

�'�h'V����������&�������� ����'�E %�q������D"�������"���� (��p�)

� ) �E�����q��"���p��"�����'+�� ��� %���&'�(�T� ��������D��'�(∆ng= 0) ����'��D%��D"��?�� N2(g) + O2(g) 2NO(g)

� H2(g) + I2(g) 2HI(g) ∆ng = 0

31FLAS: Chemical Equilibrium

� H2(g) + I2(g) 2HI(g)

� ) �E�����q��"���p��"�����'+�� ��� %���&'�(��D ��D��'� (ng≠ 0) ����'�E %��D"��?�� 2N2O(g) 2N2(g) + O2(g)

ng = 0

∆ng = 3-2 = 1

�'�h'V����������&�������2N2O(g) 2N2(g) + O2(g)

� ��������

� �V'�������� �� ����'��&���!�

P

ON

ONK

P

PP=

2

2

2

22

32FLAS: Chemical Equilibrium

� �������� �� �V'����'��&���!�!H -&-I)3+�./JK53>3.

!H -&-I)3+�./JK5*"#B)+LA-

2N2O(g) 2N2(g) + O2(g) PON

ON KP

PP >2

2

2

22

2N2O(g) 2N2(g) + O2(g) PON

ON KP

PP<

2

2

2

22

PON

ON KP

PP=

2

2

2

22

��'��*'�'�'(�("����,

��'��*'�'�'(����"�� "�

&�������*'�'�'(�������������� &�������*'�'�'(� (catalyst) ��� "�*'�'�'(�~T�X������������T�

� �V'����&����������*'�'�'(���' "�

� �V'����&����������*'�'�'(�("� ���

� ���������������������(����

� &�������*'�'�'(������"�����(���������

33FLAS: Chemical Equilibrium

� &�������*'�'�'(������"�����(���������