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
��'��*'�'�'(�("����,
��'��*'�'�'(����"�� "�