mŰszaki kÉmia elŐadÁsok gÉpÉszmÉrnÖk hallgatÓknak
DESCRIPTION
MŰSZAKI KÉMIA ELŐADÁSOK GÉPÉSZMÉRNÖK HALLGATÓKNAK. 3. KÉMIAI EGYENSÚLY. Dr. Bajnóczy Gábor BME Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék. AZ ELŐADÁS ANYAGA, KÉPEK, RAJZOK KIZÁRÓLAG OKTATÁSI CÉLRA, KORLÁTOZOTT HOZZÁFÉRÉSSEL HASZNÁLHATÓK ! INTERNETRE KORLÁTLAN HOZZÁFÉRÉSSEL - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
MŰSZAKI KÉMIA
ELŐADÁSOK GÉPÉSZMÉRNÖK HALLGATÓKNAK
3. KÉMIAI EGYENSÚLY
Dr. Bajnóczy Gábor
BME
Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék
AZ ELŐADÁS ANYAGA, KÉPEK, RAJZOK KIZÁRÓLAG OKTATÁSI CÉLRA,
KORLÁTOZOTT HOZZÁFÉRÉSSEL HASZNÁLHATÓK !
INTERNETRE KORLÁTLAN HOZZÁFÉRÉSSELFELTENNI TILOS !
Kémiai egyensúly
N2 + 3 H2 2 NH3
Hogy lehet ΔG mindkét irányban negatív ?
V1
v2
Egyensúly esetén csak részleges átalakulás történik. Adott konverziós értéknél az
előremenő reakció sebessége v1 megegyezik a termékek visszaalakulásának
sebességével v2
- Δ G
- Δ G
Kémiai egyensúly jellemzése
Egyensúlyi reakció általános felírása
aA + bB
cC + dD
K = ▬▬▬▬▬[C]c [D]d
[A]a [B]b
Ha K értéke nagy a reakció termékei keletkeznek
Ha K értéke kicsi alig képződik reakció termék
[C] ; [D] [A] ; [B] ; : egyensúlyi koncentrációk
a, b, c, d : sztöchiometriai együtthatók
K : dimenziómentes szám, amelyhez mindig tartozik egy egyensúlyi egyenlet (adott hőmérsékleten, adott nyomáson)
A szabadentalpia és az egyensúlyi állandó kapcsolata
A standard szabadentalpia változás egy teljesenvégbemenő reakciónál : ΔG0
Ha nem játszódik le teljesen : ΔG
Kettő közötti kapcsolat: ΔG = ΔG0 + RTlnQQ: reakcióhányados, definicíója megegyezik K-val, de egyensúlyi helyetttetszőleges koncentrációk szerepelhetnek
Egyensúly esetén: Q = K és ΔG = 0 tehát
0 = ΔG0 + RTlnK
ΔG0 = ▬ RTlnK
Homogén kémiai egyensúlyok
Minden résztvevő azonos fázisban
CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5 + H2Osav alkohol észter víz
Folyadék fázis esetén
Kc = ▬▬▬▬▬▬[sav] [alkohol]
[észter] [víz]
Gőz-gáz fázis esetén
N2 + 3 H2 2 NH3
Egyensúlyi állandókoncentrációkkal felírva
Kp = ▬▬▬▬▬▬
Egyensúlyi állandóparciális nyomásokkalfelírva
p2NH3
PN2 p3H2
Heterogén kémiai egyensúly
Legalább egy résztvevő a többitől eltérő fázisban
Szilárd fázis az egyensúlyban
CaCO3 CaO + CO2
Kc = ▬▬▬▬▬▬[CaO] [CO2]
[CaCO3]
A koncentrációval való számolás egyszerűsítés.
Aktivitásokkal kellene számolni.
Aktivitás = aktivitási koefficiens ● [koncentráció]
Kis koncentrációknál: aktivitási koefficiens ≈ 1,
tehát aktivitás ≈ [koncentráció]
Definíció szerűen:
Tiszta szilárd anyag aktivitása = 1
aktivitás = 1
aktivitás = 1
Kc = [CO2]
vagy
Kp = pCO2
Az egyensúly eltolási lehetőségei
Koncentráció változtatás az egyensúlyi rendszerben
sav + alkohol észter + víz
Kc = ▬▬▬▬▬▬[sav] [alkohol]
[észter] [víz]Egyensúlyi állandókoncentrációkkal felírva
Az egyensúlyi állandó kis szám, így kevés termék keletkezik !
Hogyan lehetne megnövelni a termék (észter) mennyiségét ?
1. Az egyensúlyi koncentrációhoz képest megnövelem a kiindulási anyag valamelyikét. K = állandó miatt a rendszer a termék képződése irányába mozdul el mindaddig amíg K el nem éri az eredeti, állapotjelzőknek megfelelő értékét.
2. A termék egyikét folyamatosan elvonom a rendszerből.
Az egyensúly eltolás lehetőségei
Nyomás változtatás az egyensúlyi rendszerben
N2 + 3 H2 2 NH3
1 térf. 3 térf. 2 térf.
Nyomás növeléssel a termék irányába tolható az egyensúly.
Csak akkor hatásos, ha térfogat változás történik a reakció során
Az egyensúlyi rendszer mindig kitér külső behatás esetén
Hőmérséklet változás hatása az egyensúlyi rendszerre
Exoterm reakciók: növekvő hőmérséklet hatására a kiinduló termékek irányába tolódik el az egyensúly.Endotherm reakciók : növekvő hőmérséklet hatására a termékek irányába tolódik el az egyensúly
Sav bázis egyensúlyok vizes oldatban
Ionizációs állandó vagy disszociációs egyensúlyi állandó
Információ a korrózió veszélyről
HA + H2O H30+ + A- Sav disszociációja általánosan
Ksav = ▬▬▬▬▬▬
[HA] [H2O]
[H3O+] [A-]
B + H2O BH+ + OH- Bázis disszociációja általánosan
Kbázis = ▬▬▬▬▬▬
[B] [H2O]
[BH+] [OH-]
Sav bázis egyensúlyok vizes oldatban
Ksav = Ks és Kbázis = Kb gyakran olyan kis szám, hogy a negatív
logaritmusát adjuk meg
pKs = - log Ks és pKb = - log Kb
Sav Ks pKs
Sósav ∞ Kénsav ∞Salétromsav ∞Triklórecetsav 3,0*10-1 0,52
Kénessav 1,6*10-2 1,79
Ecetsav 1,8*10-5 4,75
Szénsav 4,3*10-7 6,37
Erős savak
Nagyobb disszociációs állandó azaz kisebb pKs nagyobb korrózió veszély
Gyenge savak
Savbázis egyensúlyok
Bázis Kb pKb
Nátrium-hidroxid ∞ Lítium-hidroxid ∞Kálium-hidroxid ∞Etilamin 6,5*10-4 3,19
Ammónia 1,8*10-5 4,74
Piridin 1,8*10-9 4,75
Erős bázisok
Nagyobb disszociációs állandó azaz kisebb pKs nagyobb korrózió veszély
alumínumra. A vas a bázisokkal szemben ellenálló.
Gyenge bázisok
Víz disszociációja és a pH fogalma
A H2O H+ + OH- reakció ΔG0 értéke 79,83 kJ/mol
A ΔG0 = - RTlnKc alapján Kc = 10-14
Kvíz = ▬▬▬▬▬▬ = 10-14
[H2O]
[H+] [OH-]Az elbomlás mértéke elhanyagolható,tiszta anyag aktivitása = 1
Kvíz = [H+] [OH-] = 10-14
pH = - lg[H+] és pOH = -lg[OH-]
pH + pOH = 14
0 ≤ pH < 7 savas tartomány, savas jelleg a pH csökkenésével nő
pH = 7 semleges oldat
7 < pH ≤ 14 lúgos tartomány, lúgos jelleg nő a pH növekedésével
Vizes sóoldatok sav-bázis tulajdonságai
A vizes sóoldatok pH értéke sokszor lényeges a korrózió szempontjából
Semleges oldatokat képező sók
Erős sav (pl. HCl) + erős bázis (pl.NaOH)
NaCl + H2O → NaOH + HCl
Na+ OH- H+ Cl-
Erős sav és erős bázis teljesen disszociál
[H+] = [OH-]
Vizes sóoldatok sav-bázis tulajdonságai
Savas oldatokat képező sók
Erős sav (pl. HCl) + gyenge bázis (pl.NH4OH) → ammónium-klorid
NH4Cl + H2O → NH4OH + HCl
NH4+ OH- H+ Cl-
teljesendisszociál
részlegesendisszociál
[H+] > [OH-]
Vizes sóoldatok sav-bázis tulajdonságai
Bázikus oldatokat képező sók
Erős bázis (pl. NaOH) + gyenge sav (pl.CH3COOH) → nátrium-acetát
CH3COONa + H2O → CH3COOH + NaOH
CH3COO- H+ OH- Na+
teljesendisszociál
részlegesendisszociál
[H+] < [OH-]
Savas eső, savas szennyvíz hatása a vízi élővilágra
HCO3- + H+ CO2 + H2O
Természetes vizek hidrokarbonát egyensúlya
A savas eső és a savas szennyvíz [H+] ion többletet juttat az egyensúlyirendszerbe, amely eltolódik a szén-dioxid képződés irányába
A halak megfulladnak
Sav-bázis indikátorok működése
Hindikátor + H2O indikátor- + H3O+
Hindikátor: egy gyenge sav
piros színűmolekuláris forma
sárga színűionos forma
Sav hozzáadására az egyensúly balra tolódik: piros lesz az oldat
Lúg hozzáadására a (a lúg elfogyasztja a H3O+ ionokat) az
egyensúly jobbra tolódik : az oldat sárga lesz
Semleges állapotban narancs színű az oldat
Számítási gyakorlatok
1. Homogén egyensúlyi állandó számítása
Az alábbi reakcióegyenlettel felírt egyensúlyi folyamat vizsgálatánál 230 °C-on a következő egyensúlyi koncentrációkat mérték:
[NO] = 0,0524 mol/dm3 [O2] = 0,127 mol/dm3 [NO2] = 15,5 mol/dm3]
2 NO (g) + O2 2 NO2 (g)
Számítsuk ki az egyensúlyi állandót !
Kc =[NO2]2
[NO]2 [O2]
=(15,5)2
(0,0524)2 (0,127)= 6,89*105
Mindegyik kiindulási adat három értékes jeggyel volt megadva, így az eredményis három értékes jeggyel adható meg.
2. Erős sav vizes oldatának pH értéke
Számítsuk ki a 0,01 mol/dm3 koncentrációjú vizes sósav oldat pH értékét !
A sósav erős sav, vízben teljesen disszociál
HCl → H+ + Cl-
1 mol → 1 mol egy mol sósavból 1 mol H+ ion képződik
0,01 mol → 0,01 mol az 1 dm3 –ben lévő 0,01 mol sósavból arányosan
kevesebb, azaz 0,01 mol H+ ion képződik
A pH a hidrogénion-koncentráció negatív előjelű logaritmusa, így
pH = - lg [0,01] = 2,0
Logaritmus képzése esetén a kiindulási adat értékes jegyeinek száma megegyezik a logaritmusszámban a tizedes vessző utáni számjegyek számával.
3. Erős sav vizes oldatának pH értéke
Számítsuk ki a 0,05 mol/dm3 koncentrációjú vizes kénsav oldat pH értékét !
A kénsav erős sav, vízben teljesen disszociál
H2 SO4 → 2 H+ + SO4- -
1 mol → 2 mol egy mol kénsavból 2 mol H+ ion képződik
0,05 mol → 0,1 mol az 1 dm3 –ben lévő 0,05 mol kénsavból arányosan
kevesebb, azaz 0,1 mol H+ ion képződik
A pH a hidrogénion-koncentráció negatív előjelű logaritmusa, így
pH = - lg [0,1] = 1,0
4. Erős bázis vizes oldatának pH értéke
Számítsuk ki a 0,01 mol/dm3 koncentrációjú vizes kálium-hidroxid oldat pH értékét !
A lúgos oldatban a pH-t csak közvetetten tudjuk kiszámítani. Először a pOH-t majd a 14 = pH +pOH összefüggésből a pH-t számítjuk ki.
KOH → K+ + OH-
1 mol → 1 mol egy mol kálium-hidroxidból 1 mol OH- ion képződik
0,01 mol → 0,01 mol az 1 dm3 –ben lévő 0,01 mol kálium-hidroxidból arányosan kevesebb,
azaz 0,01 mol OH- ion képződik
pOH = - lg [OH- ] = - lg [0,01] = 2,0
A pH + pOH = 14 összefüggésből pH = 12
5. Gyenge sav vizes oldatának pH értéke
A 1,0*10-2 mol/dm3 ecetsav vizes oldatában az ecetsav molekulák 4,2 %-a disszociál.Számítsuk ki a disszociációs egyensúlyi állandót és a pH-t.
1 dm3 oldatban CH3COOH H+ + CH3COO-
kiindulási állapot 0,010 mol 0 mol 0 mol
egyensúlyi állapot (0,010 – 0,010*0,042) mol 0,010*0,042 mol 0,010*0,042 mol
Egyensúlyi állapotban az 1 dm3-ben lévő 0,010 mol ecetsav molekula 4,2%-a elbomlik, így a megmaradó
mennyiség (0,010 – 0,010*0,042) mol. A reakcióegyenletből azt látjuk, hogy 1 mol ecetsavból 1 mol H+ ion és
egy mol CH3COO- (acetátion) képződhet, tehát az elbomlott 0,010*0,042 mol ecetsavból ugyanennyi mol
hidrogénion és acetátion képződik, azaz a H+ ionkoncentráció 4,2*10-4 mol/dm3
Kc = [H+] [CH3COO- ]
[CH3COOH]=
( 4,2*10 – 4 )*(4,2*10 – 4 )
9,58*10 – 3 = 1,84*10 - 5 = 1,8*10-5
Az oldat pH értéke pH = - lg [ 4,2*10 – 4 ] = 3,38 = 3,4
6a. Adott pH-ju víz előállítása
Számítsa ki, hogy 2,0 m3 pH = 3,0 –as víz előállításához mennyi sósav (moltömeg: 36,5), illetve mennyi késav (moltömeg: 98) szükséges !
Sósav szükséglet: A pH = 3,0 azt jelenti, hogy a víz hidrogénion koncentrációja 0,0010 mol/dm3 .Mivel a sósav esetén 1 mol sósavból 1 mol hidrogénion lesz, így az oldat minden
dm3-e 0,0010 mol sósavat kell, hogy tartalmazzon.
2,0 m3 = 2,0*103 dm3 tehát a sósav szükséglet 2,0*103*0,0010 = 2,0 mol sósav Tömegben kifejezve: 2,0 mol * 36,5 = 73 g
Kénsav szükséglet: A pH = 3,0 azt jelenti, hogy a víz hidrogénion koncentrációja 0,0010 mol/dm3 .Mivel a kénsav esetén 1 mol kénsavból 2 mol hidrogénion lesz, így az oldat minden
dm3-e 0,0010 / 2,0 = 0,00050 mol kénsavat kell, hogy tartalmazzon.
2,0 m3 = 2,0*103 dm3 tehát a kénsav szükséglet 2,0*103*0,00050 = 1,0 mol kénsav Tömegben kifejezve: 1,0 mol * 98 = 98 g
6b. Adott pH-ju víz előállítása
Számítsa ki, hogy 2,0 m3 pH = 12,0 –es víz elkészítéséhez hány kg nátrium-hidroxid(moltömeg: 40,0) szükséges !
A pH + pOH = 14 összefüggés alapján pOH = 14 – 12,0 = 2
A pOH = 2 azt jelenti, hogy a víz hidroxidion koncentrációja 1*10-2 mol/dm3.
2,0 m3 esetén az OH – ionok mennyisége 2,0*103 dm3 * 1*10-2 mol/dm3 = 2*101 molA nátrium-hidroxid lévén erős bázis, teljesen disszociál, azaz 1 mol NaOH-ból1 mol OH– ion képződik.
NaOH → Na+ + OH-
2*101 mol hidroxidion képződéséhez 2*101 mol nátrium-hidroxid, azaz 2*101 * 40,0 = 8*102 g, azaz 0,80 kg nátrium-hidroxid szükséges.
7. Savas szennyvíz semlegesítése
Számítsa ki, hogy 10,0 m3 pH=2,0 szennyvíz semlegesítéséhez hány kg 5,0 tömeg %nátrium-kloridot és 5,0 tömeg % vizet tartalmazó technikai minőségű nátrium-hidroxidszükséges ! NaOH moltömege: 40,0
pH = 2,0 jelentése, a szennyvíz hidrogénion koncentrációja 0,010 mol/dm3.10,0 m3 szennyvíz hidrogénion tartalma 1,00*104 dm3 * 0,010 mol/dm3 = 1,0*102 mol Közömbösítési reakció: H+ + OH- = H2O
1,0mol + 1,0 mol
Tehát a szükséges OH- ion mennyisége szintén 1,0*102 mol.
A nátrium-hidroxid erős bázis teljesen disszociál: NaOH = Na+ + OH-
1 mol 1 mol
Tehát 1,0*102 mol OH- ion 1,0*102 mol nátrium-hidroxid disszociálása során képződik.
1,0*102 mol NaOH = 1,0*102 * 40,0 = 4,0*103 g
A nátrium hidroxid azonban 5,0+5,0 = 10,0 % inaktív szennyezést tartalmaz, ezérta szükséges mennyiség 4,0*103g / 0,900 = 4,44 kg ≈ 4,4 kg