13.1: Usawa wa kemikali

Malengo ya kujifunza

• Eleza hali ya mifumo ya usawa
• Eleza asili ya nguvu ya usawa wa kemikali

Kawaida mmenyuko wa kemikali huandikwa kwa namna inayoonyesha inaendelea katika mwelekeo mmoja, mwelekeo ambao tunasoma, lakini athari zote za kemikali zinabadilishwa, na majibu yote ya mbele na ya nyuma hutokea kwa shahada moja au nyingine kulingana na hali. Katika usawa wa kemikali, athari za mbele na za nyuma hutokea kwa viwango sawa, na viwango vya bidhaa na majibu hubakia mara kwa mara. Ikiwa tunaendesha majibu katika mfumo uliofungwa ili bidhaa zisiweze kutoroka, mara nyingi tunapata majibu haitoi mavuno ya bidhaa za 100%. Badala yake, baadhi ya reactants kubaki baada ya viwango kuacha kubadilisha. Katika hatua hii, wakati hakuna mabadiliko zaidi katika viwango vya reactants na bidhaa, tunasema majibu ni katika usawa. Mchanganyiko wa reactants na bidhaa hupatikana katika usawa.

Kwa mfano, tunapoweka sampuli ya tetroxide ya dinitrojeni ($N_2O_4$, gesi isiyo na rangi) katika tube ya kioo, huunda dioksidi ya nitrojeni ($\ce{NO2}$, gesi ya kahawia) na mmenyuko

$$\ce{ N2O4(g) \rightleftharpoons 2NO2(g)} \label{13.2.1}$$

Rangi inakuwa nyeusi kama$\ce{N2O4}$ inabadilishwa kuwa$\ce{NO2}$. Wakati mfumo unafikia usawa, wote wawili$\ce{N2O4}$ na$\ce{NO2}$ wanapo (Kielelezo$\PageIndex{1}$).

Kielelezo$\PageIndex{1}$: mchanganyiko wa$\ce{NO2}$ na$\ce{N2O4}$ hatua kuelekea usawa. $\ce{N2O4}$Haipatikani rangi ili kuunda kahawia$\ce{NO2}$. Kama majibu yanaendelea kuelekea usawa, rangi ya mchanganyiko hupunguza kutokana na ukolezi unaoongezeka wa$\ce{NO2}$.

Mchoro wa sehemu tatu unaonyeshwa. Juu ya mchoro, beakers tatu zinaonyeshwa, na kila mmoja ana tube iliyotiwa muhuri. Bomba katika beaker ya kushoto imejaa gesi isiyo na rangi ambayo imeunganishwa na mtazamo wa zoom-in wa chembe ndani ya bomba kwa mshale unaoelekea chini. Mtazamo huu wa chembe unaonyesha chembe saba, kila zinajumuisha nyanja mbili za bluu zilizounganishwa Kila nyanja ya bluu imeshikamana na nyanja mbili nyekundu. Bomba katika beaker katikati imejaa gesi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya Mtazamo huu wa chembe unaonyesha chembe tisa, tano ambazo zinajumuisha nyanja mbili za bluu zilizounganishwa. Kila nyanja ya bluu imeshikamana na nyanja mbili nyekundu. Nne zilizobaki zinajumuisha nyanja mbili nyekundu zilizounganishwa na nyanja ya bluu. Bomba katika beaker haki ni kamili ya gesi kahawia ambayo ni kushikamana na zoom-katika mtazamo wa chembe katika tube na mshale chini-inakabiliwa. Mtazamo huu wa chembe unaonyesha chembe kumi na moja, tatu ambazo zinajumuisha nyanja mbili za bluu zilizounganishwa. Kila nyanja ya bluu imeshikamana na nyanja mbili nyekundu. Wale nane waliobaki hujumuisha nyanja mbili nyekundu zilizounganishwa na nyanja ya bluu. Chini ya picha ni grafu mbili. Grafu ya kushoto ina y-axis iliyoandikwa, “Mkazo,” na x-axis iliyoandikwa, “Muda.” Mstari mweusi ulioandikwa, “N O subscript 2,” huanza kwenye kona ya chini kushoto ya grafu kwenye hatua iliyoandikwa, “0,” na huongezeka karibu na kiwango cha juu juu kwenye mhimili wa y kabla ya kufikia ngazi na inakuwa ya usawa. Mstari wa bluu ulioandikwa, “N subscript 2 O subscript 4,” huanza karibu na hatua ya juu juu ya y-axis na matone chini ya midpoint ya y-axis kabla ya kuimarisha. Grafu ya haki ina y-axis iliyoandikwa, “Kiwango,” na x-axis iliyoandikwa, “Muda.” Mstari mweusi ulioandikwa, “k subscript f, [N subscript 2 O subscript 4],” huanza katika kona ya chini kushoto ya grafu kwenye hatua iliyoandikwa, “0,” na huongezeka karibu katikati ya mhimili wa y kabla ya ngazi mbali na inakuwa usawa. Mstari wa bluu ulioandikwa, “k subscript f, [N O subscript 2] superscript 2,” huanza karibu na hatua ya juu juu ya y-mhimili na matone kwa hatua sawa juu ya y-mhimili kama mstari nyekundu kabla leveling off. Hatua ambapo mistari yote inakuwa ya usawa imeandikwa, “Msawazo ulipatikana.”

Uundaji wa$\ce{NO2}$ kutoka$\ce{N2O4}$ ni mmenyuko unaobadilishwa, ambao hutambuliwa na mshale wa usawa ($\rightleftharpoons$). Athari zote zinarekebishwa, lakini athari nyingi, kwa madhumuni yote ya vitendo, huendelea katika mwelekeo mmoja mpaka majibu yamechoka na yatarudi tu chini ya hali fulani. Athari hizo mara nyingi zinaonyeshwa kwa mshale wa njia moja kutoka kwa majibu hadi bidhaa. Athari nyingine nyingi, kama vile malezi ya$\ce{NO2}$ kutoka$\ce{N2O4}$, zinabadilishwa chini ya hali rahisi zaidi na, kwa hiyo, huitwa kama vile. Katika mmenyuko unaorekebishwa, wahusika wanaweza kuchanganya kuunda bidhaa na bidhaa zinaweza kuguswa ili kuunda majibu. Hivyo, si tu inaweza$\ce{N2O4}$ kuharibika kuunda$\ce{NO2}$, lakini$\ce{NO2}$ zinazozalishwa inaweza kuguswa na fomu$\ce{N2O4}$. Mara baada ya majibu ya mbele yanazalisha yoyote$\ce{NO2}$, mmenyuko wa reverse$\ce{NO2}$ huanza na kuanza kuguswa ili kuunda$\ce{N2O4}$. Katika msawazo, viwango vya$\ce{N2O4}$ na$\ce{NO2}$ tena mabadiliko kwa sababu kiwango cha malezi ya$\ce{NO2}$ ni sawa na kiwango cha matumizi ya$\ce{NO2}$, na kiwango cha malezi ya$\ce{N2O4}$ ni sawa na kiwango cha matumizi ya$\ce{N2O4}$. Msawazo wa kemikali ni mchakato wa nguvu: Kama ilivyo kwa waogeleaji na sunbathers, idadi ya kila mmoja hubakia mara kwa mara, lakini kuna mtiririko na kurudi kati yao (Kielelezo$\PageIndex{2}$).

Kielelezo$\PageIndex{2}$: Hawa jugglers kutoa mfano wa nguvu msawazo. Kila hutupa klabu kwa nyingine kwa kiwango sawa ambacho anapokea klabu kutoka kwa mtu huyo. Kwa sababu vilabu vinatupwa kwa kuendelea katika pande zote mbili, idadi ya klabu zinazohamia kila mwelekeo ni mara kwa mara, na idadi ya klabu kila juggler ina wakati fulani bado (takribani) mara kwa mara.

Katika usawa wa kemikali, athari za mbele na za nyuma haziacha, badala ya kuendelea kutokea kwa kiwango sawa, na kusababisha viwango vya mara kwa mara vya reactants na bidhaa. Viwanja vinavyoonyesha jinsi viwango vya majibu na viwango vinavyobadilika kwa heshima na wakati vinaonyeshwa kwenye Kielelezo$\PageIndex{1}$.

Tunaweza kuchunguza hali ya usawa kwa sababu viwango vya reactants na bidhaa hazionekani kubadilika. Hata hivyo, ni muhimu tuhakikishe kwamba ukosefu wa mabadiliko ni kutokana na usawa na si kwa kiwango cha mmenyuko ambacho ni polepole sana kwamba mabadiliko katika mkusanyiko ni vigumu kuchunguza.

Tunatumia mshale mara mbili wakati wa kuandika equation kwa mmenyuko wa kubadilishwa. Majibu hayo yanaweza au hayawezi kuwa katika usawa. Kwa mfano, Kielelezo$\PageIndex{1}$ kinaonyesha majibu:

$$\ce{N2O4(g) \rightleftharpoons 2NO2(g)} \label{13.2.2}$$

Tunapotaka kuzungumza juu ya sehemu moja ya mmenyuko unaobadilishwa, tunatumia mshale mmoja. Kwa mfano, katika usawa umeonyeshwa kwenye Kielelezo$\PageIndex{1}$, kiwango cha mmenyuko wa mbele

$$\ce{2NO2(g) \rightarrow N2O4(g)} \label{13.2.3}$$

ni sawa na kiwango cha mmenyuko wa nyuma

$$\ce{N2O4(g) \rightarrow 2NO2(g)} \label{13.2.4}$$

Msawazo na Vinywaji baridi

Uhusiano kati ya kemia na vinywaji baridi vya kaboni unarudi nyuma mwaka 1767, wakati Joseph Priestley (1733—1804; hasa anajulikana leo kwa jukumu lake katika ugunduzi na utambulisho wa oksijeni) alipogundua njia ya kupenyeza maji na dioksidi kaboni ili kutengeneza maji yenye kaboni. Mnamo 1772, Priestly alichapisha karatasi yenye kichwa “Impregnating Maji na Air Fixed.” Karatasi inaelezea dripping mafuta ya vitriol (leo tunaita hii asidi sulfuriki, lakini ni njia gani nzuri ya kuelezea asidi sulfuriki: “mafuta ya vitriol” literally ina maana “kioevu nastiness”) kwenye chaki (calcium carbonate). Matokeo$CO_2$ huanguka ndani ya chombo cha maji chini ya chombo ambacho majibu ya awali hufanyika; fadhaa husaidia$CO_2$ mchanganyiko wa gesi ndani ya maji ya kioevu.

$$\ce{H2SO4(l) + CaCO3(s) \rightarrow CO2(g) + H2O (l) + CaSO4 (aq)} \nonumber$$

Dioksidi kaboni ni mumunyifu kidogo katika maji. Kuna mmenyuko wa usawa unaotokea kama dioksidi kaboni humenyuka na maji ili kuunda asidi kaboni ($H_2CO_3$). Kwa kuwa asidi ya kaboni ni asidi dhaifu, inaweza kuondokana na protoni ($H^+$) na ioni za carbonate hidrojeni ($HCO_3^−$).

$$\ce{ CO2 (aq) + H2O(l) \rightleftharpoons H2CO3 (aq) \rightleftharpoons HCO3^{-} (aq) + H^{+} (aq)} \nonumber$$

Leo,$\ce{CO_2}$ inaweza kushinikizwa katika vinywaji baridi, kuanzisha usawa umeonyeshwa hapo juu. Mara baada ya kufungua chombo cha kinywaji, hata hivyo, mabadiliko ya usawa hutokea. Kwanza,$\ce{CO_2}$ gesi katika nafasi ya hewa juu ya chupa hupuka, na kusababisha usawa kati ya awamu ya gesi$\ce{CO_2}$ na kufutwa au maji ya$\ce{CO_2}$ kuhama, kupunguza mkusanyiko wa$\ce{CO_2}$ katika kinywaji laini. Chini ya$\ce{CO_2}$ kufutwa katika kioevu husababisha asidi ya kaboni kuoza kwa kufutwa$\ce{CO_2}$ na H ₂ O. kupungua asidi ya kaboni mkusanyiko husababisha mabadiliko ya usawa wa mwisho. Kwa muda mrefu kama kinywaji cha laini kiko kwenye chombo kilicho wazi,$\ce{CO_2}$ hutoka nje ya kinywaji, ikitoa gesi ndani ya hewa (Kielelezo$\PageIndex{3}$). Kwa kifuniko cha chupa,$\ce{CO_2}$ athari hazipo tena katika usawa na zitaendelea mpaka hakuna zaidi ya reactants kubaki. Hii inasababisha kunywa laini na$\ce{CO_2}$ mkusanyiko mkubwa, mara nyingi hujulikana kama “gorofa.”

Kielelezo$\PageIndex{3}$: Wakati kinywaji cha laini kinafunguliwa, mabadiliko kadhaa ya usawa hutokea. (mikopo: mabadiliko ya kazi na “D Coetzee” /Flickr)

Chupa ya soda ameketi chini inavyoonyeshwa kwa kiasi kikubwa cha kioevu kilichojaa fizz kinachotoka nje ya juu.

Uwezeshaji wa Bromini

Hebu tuchunguze uvukizi wa bromini kama mfano wa pili wa mfumo wa usawa.

$$\ce{Br2(l) \rightleftharpoons Br2(g)} \nonumber$$

Msawazo unaweza kuanzishwa kwa mabadiliko ya kimwili-kama kiowevu hiki hadi mpito wa gesi-na pia kwa mmenyuko wa kemikali. Kielelezo$\PageIndex{4}$ kinaonyesha sampuli ya bromini ya kioevu katika usawa na mvuke wa bromini kwenye chombo kilichofungwa. Tunapomwaga bromini ya kioevu ndani ya chupa tupu ambayo hakuna mvuke wa bromini, maji fulani hupuka, kiasi cha kioevu hupungua, na kiasi cha mvuke huongezeka. Kama sisi cap chupa hivyo hakuna mvuke kutoroka, kiasi cha maji na mvuke hatimaye kuacha kubadilisha na msawazo kati ya kioevu na mvuke itakuwa imara. Kama chupa haikufungwa, mvuke wa bromini ingeweza kutoroka na hakuna usawa ungefikiwa.

Kielelezo$\PageIndex{4}$: Msawazo unaonyeshwa kati ya bromini ya kioevu, Br ₂ (l), kioevu giza, na mvuke wa bromini, Br ₂ (g), gesi ya machungwa. Kwa sababu chombo kimetiwa muhuri, mvuke wa bromini hauwezi kutoroka na usawa unasimamiwa. (mikopo: Bromine [picha-ya-elements.com]).

Chombo kioo kinaonyeshwa kuwa kinajazwa na gesi ya machungwa-kahawia na kiasi kidogo cha kioevu giza cha machungwa.

Muhtasari

Mmenyuko ni katika usawa wakati kiasi cha reactants au bidhaa hazibadilika tena. Msawazo wa kemikali ni mchakato wa nguvu, maana ya kiwango cha malezi ya bidhaa na mmenyuko wa mbele ni sawa na kiwango ambacho bidhaa zinaunda reactants kwa mmenyuko wa reverse.

faharasa

usawa

katika athari za kemikali, hali ambayo uongofu wa reactants katika bidhaa na uongofu wa bidhaa nyuma katika reactants hutokea wakati huo huo kwa kiwango sawa; hali ya usawa

mmenyuko wa kubadilishwa

mmenyuko wa kemikali ambayo inaweza kuendelea katika maelekezo yote ya mbele na ya nyuma chini ya hali fulani