כימיה לבגרות/שיווי משקל

מבוא

המשמעות של צירוף המילים שווי משקל

כאשר נכניס אל כלי סוכר, הסוכר יסתדר במערכת באופן קבוע. מצב זה הוא המצב ה"אידיאלי" עבור התמיסה. אולם, כאשר נערבב את הכלי, כל המולקולות יתערבבו ויצופו. לאחר זמן נוסף, הם שוב יחזרו אל מקום יגיעו ל"שווי משקל". ממש כמו, להיות בהרצאה באוניברסיטה. ה"שטח" מחולק למקומות; כך שלכל אחד יש מרחב מחייה בו הוא יכול לנוע כמיטב יכולתו. כאשר כל האנשים ירדו מהבמה, ולאחר מכן, יחזירו אליה, הם יסתדרו באותו אופן, כיוון שזהו המצב "האידיאלי" בשבילם; המצב הנכון ביותר.

תכונות המערכת במצב זה נשמרות, כלומר אין שינוי ב :

1. צבע תמיסה.
2. מוליכות.
3. pH.
4. טמפרטורה.
5. ריכוז.
6. ועוד.

כיוון שלא הוספנו שום גורם נוסף למערכת. יש בדיוק את אותה כמות שהייתה מקודם.

תכונות מערכת שווי משקל

1. דינאמית – תמיד יש תנועה של חלקיקים.
2. תגובה "דו סטרית" – כאשר המגיבים הופכים לתוצרים; התוצרים יכולים לחזור למצב הקודם; כלומר לחזור ולהיות מגיבים (זאת בניגוד למערכת בה יש אנזים שיוצר את התוצר, ולאחר מכן התוצר אינו יכול לחזור למצבו הקודם). לכן מסמנים את המשוואה באמצעות שני חצים אל שני הכיוונים ($A+B\leftrightarrow C+D$).
3. סגורה – אם במערכת יש גז היא חייבת להיות סגורה על מנת לשמור על שווי המשקל. המערכת לא חייבת להיות סגורה פיזית, למשל, אם מדובר בסוכר ומים ניתן להשאירם בחוץ למשך 3 שעות (כול עוד המים לא יתאדו), ולכן, שווי המשקל ישמר והמערכת תקרא סגורה.

תיאור מערכת בשווי משקל באופן גרפי

יש שני סוגים של גרפים, הפועלים באופן זהה. הגרפים הם :

1. גרף איכותי – גרף ללא מספרים.
2. גרף כמותי – עם מספרים. לגרף כזה נצרף טבלה שתראה כך:

$B+A\leftrightarrow D+c$
A	B	C	D
[התחלה]
[שינוי]
[שיווי משקל]

הטבלה מתפקדת בדיוק כמו בסטויכיומטריה.

דוגמא

לכלי שנפחו 1 ליטר הוכנסו 2 מול A בריכוז 0.2, ו-0.2 מול B. בשיווי משקל נמצא כי בריכוז A הוא M0.1. חשב את ערך שיווי המשקל של המגיבים ושל התוצרים.

$2a+b\rightarrow C$
	A	B	C
[התחלה]	0.2	0.2
[שינוי]
[שיווי משקל]	0.1

שלב ב

נחשב את ההפרשים

$2a+b\rightarrow C$
	A	B	C
[התחלה]	0.2	0.2
[שינוי]	0.1-
[שיווי משקל]	0.1

שלב ג

נבדוק יחסי מולים

$2a+b\rightarrow C$
	A	B	C
[התחלה]	0.2	0.2
[שינוי]	0.1-	0.05-	0.05+
[שיווי משקל]	0.1

שלב ד

נחשב

$2a+b\rightarrow C$
	A	B	C
[התחלה]	0.2	0.2
[שינוי]	0.1-	0.05-	0.05+
[שיווי משקל]	0.1	0.2-0.05=0.15	0+0.05=0.05

גרף

* למעלה מגיבים – כי מוסיפים כמות מסוימת שלהם.
* למטה תוצרים

קבוע שווי משקל

טענו כי המערכת דינאמית, אולם, מקומות העמידה של החלקיקים קבועים (כלומר, הכיסאות בכיתה קבועים, אולם, האנשים שיושבים במקומות יכולים להשתנות) – המצב האידיאלי. כאשר אנו מדברים על מערכת בה יש תוצרים ומגיבים שהופכים זה לזה בכל רגע נתון, למשל :

• X תוצרים הופכים בזמן Y למגיבים.
• Z מגיבים הופכים בזמן Y לתוצרים.

כלומר, יש כאן איזה שהיא עקביות אחריה ניתן לעקוב. עקביות זו חשובה לנו כיוון שהיא עוזרת לנו להעריך את כמות התוצרים והמגיבים בתמיסה (במצב של שווי משקל).

איך מעריכים זאת?

קבוע שיווי המשקל (K)- הוא "ערך" התוצרים והמגיבים בתמיסה שיווי משקל.

תבנית של תגובה כימית : $A+B\leftrightarrow C+D$.
נוסחא : $K={\frac {[C]^{c}[D]^{d}}{[A]^{a}[B]^{b}}}={\frac {Product}{Reagent}}$

דוגמא

פרק זה לוקה בחסר. אתם מוזמנים לתרום לוויקיספר ולהשלים אותו. ראו פירוט בדף השיחה.

כאשר K

1. K>₁₀10 – התוצרים גדולים מהמגיבים (למשל 10/2) – תגובה לכיוון אחד (כמו במערכת אנזימטית).
2. K< 10_-10 - התוצרים קטנים מהמגיבים (למשל 1/2) – אין תגבה.
3. 10_-5<K<10₅ - שיווי משקל; כיוון שהמגיבים והתוצרים הופכים זה לזה כל הזמן.

הערות

1. חשוב מאוד בשאלות לראות האם מדוברת במערכת שנמצאת בשווי משקל. אם המערכת עדין לא הגיעה לשיווי משקל, הנתונים שקיבלנו הם זמנים. כלומר, אם המדען "ניער" את המבחנה בעלת תמיסה שהייתה בשיווי משקל, כל הנתונים שינתנו לנו מעכשיו יהיו זמנים בלבד, כיוון שהמערכת תחזור טבעית למצב הקודם
2. קבוע שיווי המשקל תלוי בתגובה. כלומר, גם אם יהיו לנו את אותם מגיבים ותוצרים, קבוע שיווי המשקל יכול להיות שונה. קבוע שיווי המשקל יהיה שונה אם לא יהיה לנו את אותה כמות של חומרים, ובמילים אחרות, יותר או פחות אנשים באולם, כלומר יותר צפיפות/מרווח – כל זאת בהרחבה ופירוט בהמשך הנושא .

הפרעות שיווי משקל

עקרון לה שטלייה – אם מערכת כימית בשיווי משקל נתונה להפרעה חיצונית; המערכת תטה כדי למזער את השינוי שנוצר. כלומר, המערכת לא תפסיק להיות מערכת של שיווי משקל (היא לא תהפוך להיות מערכת חד סטרית); היא תעשה הכול בכדי להגיע למצב של שיווי משקל.

סוגי הפרעות

משפט פיתרון (עבור שינוי בריכוז ולחץ): ע"פ עקרון לה שטלייה המערכת נוטה לכיוון ה...ובקיצור אנו נרשום : ע.ע..ל.ש.ה.נ.ל

שינוי בריכוז – הכנסה/הוצאה של חומר

איך זה יכול לקרות?

1. גז התאדה – לא במקרים שלנו.
2. נשפך בטעות אחד החומרים.
3. הוספת חומר.

מה עושים?

1. נשרטט את התגובה במצב של שיווי משקל.
2. בהתאם לנתון נשרטט קו ישר למעלה (הוספת חומר) או למטה (נשפך חומר) לחומר שגרם להפרעה במערכת.
3. כל צד האגף ירד (אם הוספנו חומר) או יעלה (אם נשפך חומר) בהתאם לנתון. צד שני יתנהג בדיוק להפך.

דוגמא

במערכת: .$A+B\leftrightarrow C+D$. הוסף בטעות יותר מחומר A.

על פי עקרון לה שטלייה, המערכת תטה אל כיוון התוצרים, ולכן [A] ו-[B] ירדו ואילו [C] ו-[D] יעלו. הגרף יראה כך :

אין תמונה חופשית

שינוי בלחץ (P)

לחץ משפיע על הנפח : $Pa{\frac {1}{v}}$ . יחס הפוך; ככל שהלחץ גדול יותר, כך כמות השטח קטנה. מכן, שבשינויי לחץ הגורם שישפיע להחזרת המערכת למצבה הוא כמות המולים (כמות החלקיקים) שבתמיסה.

הגדלת לחץ

הסבר : על פי עקרון לה שטלייה המערכת נוטה לכיוון שבו מספר המולים קטנים (הגיון : היכן שפחות צפוף, לשם ילכו האנשים). כלומר אם המערכת הינה המערכה הבאה שמוצגת והעלנו את הלחץ (או הוספנו גז אינרטי), אז - $A+3B\leftrightarrow 2C$, יש לנו:

• 4 מולים בצד המגיבים (1+3).
• 2 מולים בצד התוצרים.

על פי עקרון לה שטלייה המערכת נוטה לכיוון שבו המולים קטנים, כלומר [C] יעלה ו[A] ו-[B] ירדו.

סיכום

לחץ/נפח לא משפיעים כאשר :

1. המולקולות לא במצב גזי.
2. כשאין הבדל בין מספר המולים המגיבים ובתוצרים – אין שינוי בגרף.
3. כשמוסיפים בנפח קבוע (שבדרך כלל אלו המקרים בבגרות) גז אינרטי (חומר לא פעיל), כמו גזים אצילים.

טמפרטורה

בניגוד להפרעות בריכוז ובלחץ, הפרעת הטמפרטורה משפיעה על קבוע המשקל (K). כיוון ששינוי בטמפרטורה משנים את האנרגיה הקנטית על כך נרחיב בנושא הבא.
באופן כללי, החלקיקים שנמצאים בתערובת, בטמפרטורה גבוה יותר ממה שהיו, הופכים לתוצרים מהר יותר, ולכן, בקבוע המשקל גדל במונה ערך התוצרים, ובמכנה פחות ערך התוצרים, כלומר, קבוע המשקל משתנה התאם לסוג התגובה.

איך יודעים היכן איזה חומר גדל?

בנושא אנרגיה דברנו על כך שיש שתי סוגים של אנרגיות במערכות  :

1. אנרגיה אנדו(פנים)תרמית – אנרגיה הנוצרת עקב בניית מולקולות חדשות ; צורכת אנרגיה מהסביבה.
2. אנרגיה אקסו(חוץ)תרמית – אנרגיה הנוצרת עקב פירוק חומרים; פולטת אנרגיה לסביבה.

כאשר מעלים את הטמפרטורה (שבא בעקבות שחרור/השקעת אנרגיה) לתגובה, נתייחס בשונה אל כל אחת מהתגובות (תגובה אקסותרמית ותגובה אנדותרמית), כיוון שסוג האנרגיה שונה.

הפעולות שנבצע יהיה דומות לפעולות שבצענו בהפרעות הקודמות. מספר דגשים חשובים :

1. העלאת טמפרטורה פרושה משך זמן מסוים, לכן, הגרף לא יקפוץ מיד ללמעלה, אלא יעלה בתהליך.
2. אנו נוסיף את האות E (לא לעשות זאת בבגרות) אל המשוואה כעזר, על מנת, לדעת אלו מהחומרים גדלים ואלו קטנים. ראה טבלה.

סוג ההפרעה	חימום/קירור	הסבר	K
אנדותרמי	חימום	$E+A\leftrightarrow B+c$	בתגובה אנדו(תוך)תרמית הטמפרטורה משפיעה בתוך המערכת – מה שנמצא בתוך המערכת אלא הם המגיבים,לכן, לצד שלהם נוסיף E. כאשר E עולה, ע.ע.ל.ש.ה.נ.א כיוון שהתוצרים, כלומר [A] ירד, ו-[B], [C] יעלו.	K=\frac{Product}{Reagent} כיוון שהתוצרים גדלים (מונה גדל) והמגיבים קטנים (מכנה), K יגדל.
אנדותרמי	קירור	$E+A\leftrightarrow B+c$	קירור משמעותו הורדת טמפרטורה. לכן, ע.ע.ל.ש.ה.נ.א כיוון המגיבים, כלומר [A] יגדל, ו-[B] ו[C] יקטנו.	$K={\frac {Product}{Reagent}}$ כיוון שהתוצרים קטנים (מונה קטן) והמגיבים גדלים (מכנה גדל), K יקטן.
אקסותרמית	חימום	$E+A\leftrightarrow B+c$	בתגובה אקסו(חוץ)תרמית, הטמפרטורה משפיעה על הגורמים הנמצאים מחוץ למערכת, כלומר על התוצרים. לכן, נוסיף E לצד של התוצרים. כאשר E עולה, ע.ע.ל.ש.ה.נ.א כיוון המגיבים, כלומר [A] גדל, ואילו [B] ו[C] קטן.	$K={\frac {Product}{Reagent}}$ כיוון שהתוצרים קטנים (מונה קטן) והמגיבים גדלים (מכנה גדל), K יקטן.
אקסותרמית	קירור	$E+A\leftrightarrow B+c$	קירור משמעותו הורדת טמפרטורה. לכן, ע.ע.ל.ש.ה.נ.א כיוון התוצרים. כלומר [A] ירד, ו[B] ו[C] יעלו.	$K={\frac {Product}{Reagent}}$ כיוון שהתוצרים גדלים (מונה גדל) והמגיבים קטנים (מכנה), K יגדל.

המשך הנושא

המשך הנושא נמצא בפרק יישום עקרונות

קישורים חיצוניים

• גרפי למערכת המגיעה לשיווי משקל