Co to jest stan równowagi ?

1. A może JUŻ znamy stan równowagi ?

Równowaga, czy też nazwijmy to stanem równowagi, to sytuacja, w której nie następuje żadna sumaryczna zmiana. Słowo sumaryczna jest ważne, bo inaczej można by odnieść wrażenie, że nie dzieje się po prostu nic. A to nieprawda, bo wciąż się dzieje.

Ochota na ciekawostkę[1] ?

➤ To tak jakby mama dała Ci 50 zł, ale Ty od razu te pieniądze przepierdzieliłeś na słodycze – przepływ gotówki ma miejsce (sytuacja dynamiczna), ale ostatecznie Twój stan konta się nie zmienia (+50 − 50 = 0 zł)

➤ To tak jakby ludzie jeździli windą – część z nich jedzie do góry i załóżmy, że taka sama ilość jedzie w dół. Przepływ ludzi pomiędzy piętrami budynku zachodzi (sytuacja dynamiczna), ale sumarycznie nic się nie zmienia, bo jest wciąż ta sama liczba osób na danym piętrze.

➤ To tak jakby… no dobra, pewnie już masz dość, więc pokażę to na obrazku :

Znalezione obrazy dla zapytania: bridge cars
Stan równowagi jako ruch uliczny na moście – trwa ciągły ruch samochodów (sytuacja jest dynamiczna), ale sumarycznie nic się nie zmienia : np. wjeżdża 100 samochodów na most, ale też 100 z niego wyjeżdża.

Co to jest w takim razie stan równowagi, tak w chemicznym ujęciu? To będzie sytuacja (w stałej temperaturze), w której wciąż powstają produkty, ale w tym czasie powstają także substraty (reakcja zachodzi w drugą stronę) i ostatecznie ilości reagentów się nie zmieniają. Zaraz będziemy to jeszcze analizować na wiele sposobów.

2. Stan równowagi jako coś, co można zobaczyć

Najbardziej klasyczną reakcją podczas nauki jest przemiana tlenku N2O4 w NO2 . Jest ona idealna, ponieważ ma tylko jeden substrat, jeden produkt, a w dodatku jeden z nich jest kolorowy (NO2 jest brunatny), a substrat (N2O4) jest bezbarwny, więc na własne gały można zaobserwować czy reakcja zachodzi.

N2O4 ⇄  2NO2

To faktycznie widać na poniższym zdjęciu – zaczynamy z bardzo bladobrunatnego koloru (małe ilości produktu, czyli NO2). Im dłużej trwa reakcja, tym kolor staje się coraz bardziej brunatny, ponieważ powstaje coraz więcej tlenku azotu (IV). Jednak okazuje się, że czekając dalej nie obserwujemy już żadnych zmian, ponieważ stężenia reagentów przestały się zmieniać – osiągnęliśmy stan równowagi [2].

Tutaj mamy pokaz tego, że przebieg reakcji można prześledzić gołymi oczami. Źródło.

3. Jak przejść z kinetyki do stanu równowagi ?

Okazuje się, że kinetyka ma dużo wspólnego ze stanem równowagi. W końcu to nie jest tak, że wrzucimy do butelki reagenty, pstrykniemy palcem i cyk, reakcja jest gotowa. Wiemy już, że niektóre reakcje są szybkie, inne bardzo wolne. Każda z nich jednak zmierza do stanu równowagi[3].

Zobaczmy to na wykresie, który już doskonale znamy z kinetyki – Wszystkie wykresy w kinetyce do matury

Jak rozpoznać stan równowagi na wykresie ?

Przeanalizujmy teraz bardzo ważną rzecz. Po pierwsze, wiemy że reakcja jest odwracalna , co swoją drogą oznaczamy właśnie specjalnymi strzałkami ⇄ ), co oznacza że reakcja biegnie jednocześnie w prawo (tworzy się NO2 / rozpada się N2O4) oraz w lewo (tworzy się N2O4 / rozpada się NO2 ).

Jak powiązać szybkość reakcji ze stałą równowagi ?

Jak widzimy na powyższym schemacie, szybkość reakcji w prawo oznaczyłem jako v1 , a w lewo jako v2 . Teraz możemy się wrócić do naszego kinetycznego wykresu. Widzimy, że skoro stężenia N2O4 oraz NO2 przestały się zmieniać w stanie równowagi, to w takim razie szybkości reakcji w prawo i w lewo też przestały się zmieniać! Mamy teraz nieco inną definicję stanu równowagi :

W stanie równowagi szybkość reakcji w prawo jest równa szybkości reakcji w odwrotnej (w lewo).

Na naszym przykładzie z tlenkami azotu, moglibyśmy teraz zapisać następującą równość[4] :

v1 = v2

k1[N2O4] = k2[NO2]2

Zobaczmy teraz ten sam wykres, tylko nieco podrasowany :

Kinetyka i stan równowagi – jakie jest powiązanie ?

Tutaj można by jeszcze pogrzebać matematycznie (ehh), przy tym równaniu. Ale to tak z ciekawości, zobaczmy. Przecież stałe szybkości (k1 oraz k2) są… stałe! Można by zatem przekształcić to równanie tak, aby po jednej stronie były stałe szybkości (czyli takie liczby, które się nie zmieniają), a po drugiej wrzucić stężenia, które się zmieniają.

\displaystyle  k_{1}[N_{2}O_{4}] = k_{2}[NO_{2}]^{2} \implies \frac{k_{1}}{k_{2}} = \frac{[NO_{2}]^{2}}{[N_{2}O_{4}]}

Doszliśmy do bardzo ciekawego wniosku – okazuje się, że odpowiedni stosunek stężeń reagentów będzie stały! Dlaczego? Bo będzie równy stałym szybkości, które są stałe. To będzie temat następnego postu, o stałej równowagi.


[1] Zawsze podczas nauki warto zadawać sobie pytanie, czy to czego się uczymy ma jakieś w ogóle przełożenie na ,,życie”. Tak jak przykładowo wzór na pole koła na matmie przydaje się potem do studenckich debat pod tytułem ,,czy bardziej opłaca się wziąć dwie średnie pizze czy jedną małą”, tak samo powinniśmy rozkminić, czy ta równowaga chemiczna ma jakąś przydatność. I oczywiście, jeśli dla Ciebie chemia jest tylko szkolnym przedmiotem do zaliczenia, to oczywiście kompletnie Ci się to do niczego nie przyda. Ale duża część z Was idzie potem na medycynę, więc już możemy po drodze się czegoś ciekawego (dla niektórych) nauczyć.

Ok – wiesz może w jaki sposób ,,oddycha” płód w ciele matki? Oddycha jest w cudzysłowie, bo nos mu za matczyny pępek nie wystaje, więc pobieranie tlenu z powietrza nie wchodzi w grę. A jednak nie zmienia to faktu, że taki malutki człowieczek tego tlenu potrzebuje, tak samo jak ja i Ty.

Normalnie przebiega to tak, że wdychamy powietrze do płuc, które następnie dyfunduje do włośniczek, a stamtąd trafia do krwi. We krwi natomiast mamy erytrocyty (krwinki czerwone), które z kolei posiadają ważne i znane Tobie białko – hemoglobinę, którą oznaczymy jako Hb. Hemoglobina wiąże tlen, co można przedstawić za pomocą reakcji chemicznej :

Hb + O2 ⇄ HbO2

Jak już wiesz, dwie strzałki oznaczają proces równowagowy. Na taki proces wpływają różne czynniki, a niedługo dowiemy się tego z postu o regule przekory. W każdym razie, w płucach mamy oczywiście bardzo dużo tlenu, co przesuwa powyższą równowagę w prawo. Jest to bardzo logiczne, skoro mamy dużo tlenu, to dużo go zareaguje z naszą hemoglobiną. Ona dalej bohatersko wyruszy w podróż po naszym organizmie, dostarczając ten tlen tam, gdzie jest on potrzebny, np. do mięśni. Ilość tlenu w mięśniach jest mała, a to powoduje, że hemoglobina z powrotem oddaje tlen, przekazując go tym samym do mięśni.

Transport hemoglobiny jako proces równowagowy.

Można to podsumować tak, że aby zachować równowagę, hemoglobina wiąże tlen tam, gdzie jego ilości (stężenie/ciśnienie) są duże, ale oddaje go tam, gdzie jego ilości są małe.

Płód oczywiście też posiada swój układ krążenia, tylko że matczyna krew tam nie wpływa. Sprawa byłaby poważna, na szczęście płód ma swoją własną, specjalną hemoglobinę płodową, która ma symbol HbF (f od featus, czyli płód). Łączy się ona dokładnie na tej samej zasadzie z tlenem, jest to proces równowagowy.

HbF + O2 ⇄ HbFO2

Jednym z parametrów oceny stanu równowagi, jest stała równowagi, o której porozmawiamy sobie w następnym poście. W skrócie chodzi jednak o to, że HbF ma znacznie większe powinowactwo (chciwość) do tlenu niż matczyna hemoglobina. Można powiedzieć, że płód ostatecznie podkrada ten tlen od matki, właśnie dlatego, że ma on większe powinowactwo do tego tlenu.

[2] Pamiętaj, ze jest to stan równowagi dynamicznej – po to były te wszystkie analogie. Samochody ciągle wjeżdżają i zjeżdżają z mostu, po prostu sumarycznie nic się nie zmienia. Tak samo w reakcji chemicznej, ciągle powstają produkty, a też ciągle powstają substraty, po prostu ich ilości sumarycznie się nie zmieniają.

[3] Teoretycznie każda reakcja jest odwracalna, chociaż w praktyce tak nie jest. Po prostu są przypadki, gdzie reakcja biegnąca w drugą stronę zachodzi w tak małym, nieistotnym stopniu, że można to pominąć. Taka sytuacja jest wtedy, gdy :

⮚ strąca się osad (trudnorozpuszczalny związek), np.

AgNO3 + NaCl ⟶ AgCl ↓ + NaNO3

⮚ wydziela się gaz, np. (klasycznie będzie to też spalanie węglowodorów).

(NH4)2Cr2O7   ⟶ Cr2O3  +  N2 ↑  +  4H2O

[4] Tutaj jeszcze można by zadać bardzo czujne pytanie – dlaczego w sumie szybkości reakcji w stanie równowagi są sobie równe? Ok, stężenia się nie zmieniają, ale skąd wiemy, że te stałe szybkości k1 oraz k2 są sobie równe? Czy one w ogóle muszą być równe?

My wiemy, że w stanie równowagi v1 = v2 , ponieważ stężenia N2O4 oraz NO2 przestały się zmieniać! Właśnie stałe szybkości (k) nie muszą (i raczej nie są) sobie równe, tylko same szybkości reakcji (v) ! Jeśli stężenia reagentów już nie ulegają zmianie, to nie może być sytuacji, że v1 > v2 ,bo wciąż powstawałby nam produkt (NO2) i zużywałby się substrat (N2O4) czy też analogicznie, nie może być sytuacji gdzie v1 < v2 .

Leave a Reply

%d bloggers like this: