Oreka kimiko

Oreka kimikoaren kontzeptua 1803.urtean garatzen hasi zen Berthollet kimikariak erreakzio kimiko batzuk itzulgarriak zirela aurkitu zuenean. Erreakzio itzulgarrietan erreaktiboak produktu bihurtzen diren unean aurkako prozesua ematen da: produktuak erreakzionatu eta erreaktibo bihurtzen dira, ondorioz, erreakzioa bi noranzkoetan ematen da. Oreka kimikoa lortzen da erreakzioaren bi noranzkoen abiadurak berdintzen direnean eta erreaktibo eta produktuen kontzentrazioak konstante mantentzen direnean.

Oreka konstantea ($K_{c}$)

Orokorrean ontzi itxi batean gertatzen diren erreakzioak momentu jakin batean oreka batera heltzen dira, hau da, bai erreaktiboen, bai produktuen kontzentrazioak konstante mantentzen dira aldaketarik gabe denbora jakin batez. Hau da, presio eta tenperatura jakin batean erreakzioa ez da gehiago aurrera ematen eta horrexegatik oreka batera heldu dela adierazten da.

Oreka konstantearen adierazpena

Oreka konstantea (Kc), erreaktiboen eta produktuen kontentrazio molarren arteko erlazioa dela esaten da:

${\ce {aA}}$ + ${\ce {bB<=> cC}}$ + ${{\ce {dD}}}$

(sartu konstantearen erreakzioa) Erreakzio honetan ikus daiteke nola produktuen kontzentrazioak zenbakitzailean jartzen diren eta erreaktiboenak aldiz izendatzailean , horrela pruduktuen eta erreaktiboen zatiketa lortzeko. Kontuan izan behar da kontzentrazio guztiak bere koefiziente estekiometrikoarekin berretzen egon behar direla. Oreka konstantea, orekan dagoen erreakzioaren berri ematen du. Hau da, oso Kc altua baldin badu, erreaktiboak pruduktu bihurtzeko oso joera handia izango dute, aldiz Kc-a oso txikia baldin bada erreaktiboak ez dute produktuek sortzeko hain joera handia izango :

${\ce {H2(g)}}$ + ${\ce {Cl2(g)<=> 2HCl(g)}}$ Kc=$2,5{\text{x}}10^{33}$

${\ce {N2(g)}}$ + ${\ce {O2(g) <=> 2NO (g)}}$ Kc=$5,3{\text{x}}10^{-31}$

Ikus dezakenez, lehenengo ekuazioan Kc balioa oso altua da beraz guztiz lerratuta dago eskuin aldera produktak emateko, aldiz bigarrenean Kc balioa soso baxua da beraz ez dira ia produktuak sortuko.

Erreakzioaren zatidura

Erreakzioaren zatidura Q letraz adierazten da, hau, Kc-ren berdina da eta formula bera dute, ezberdintasuna da Q edozein egoeratan neurtu dezakeela, ez soilik orekan, gainera erreaktiboen eta produktuen edozen kontzentraziorako kalkula daiteke.

${\ce {H2(g)}}$ + ${\ce {Cl2(g)<=> 2HCl(g)}}$ Kc=$2,5{\text{x}}10^{33}$

Honako adierazpen hauek lor daiteke:

• Q= Kc. Sistema orekan dago

• Q ≠ Kc bada bi kasu izan daiteke:
  • Q>Kc bada, hasierako kontzentrazioen zatidura oreka egoeran baleude baino handiagoa dela esan nahi du. Alderantzizko erreakzioak zabalkuntza handiagoa du zuzenak baino, eta azkenean Q-ren balioa Kc-renarekin berdintzen da.
  • Q< Kc bada, hasierako kontzentrazioen kozientea orekan egon beharko lukeena baino txikiagoa dela esan nahi du. Oreka lortzeko HCl-ren kontzentrazioa igo behar da, hau igotzean produktuak kontsumitzen dira.^[1]

Oreka konstateen arteko erlazioa

Oreka konstanteak adierazteko modu bat baino gehiago dago. Likidoekin lan egiten dugunean, Kc erabiliko dugu, kontzentrazioak erabiliz (Molartasuna: n/1L). Aldiz, gasekin lan egiten badugu, presio partzialak erabiliko ditugu, Kp konstantearen bidez.

Tenperatura konstantea denean, P kontzentrazioarekin (n/V) erlazionatuta dago gas idealeko egoera ekuazioaren bidez: P=(n/V)RT. Orduan, gasen orekaren konstantea horrela adierazi dezakegu:

                                                          $N_{2}O_{4}$(g) $\Longrightarrow$ 2 $NO_{2}$ (g)

$Kp={P^{2}no_{2} \over Pn_{2}o_{4}}$

Oreka kimikoaren eta zinetika kimikoaren arteko erlazioa

Zinetika kimikoak erreakzioetan gertatzen den abiadura aztertzen du, azken horren gainean eragina duten faktoreak ikertzen ditu, eta erreaktiboak produktu bilakatzearen arteko prozesuaren mekanismoaz arduratzen da. Aurrez esandako K magnitudea konstante mantentzen da tenperatura jakin batzuetan eta ez du orekako kontzentrazioekin zerikusirik; hau, erreakzio kimikoen zinetika landuz errazago uler daiteke. Beraz, suposatu hurrengo erreakzioa alderantzizkoa dela, hau da, ezkerrera eta eskuinera ematen dela:

A + 2B ↔ AB₂

Bertan, oreka eskuinera desplazatzen denean K_f  (fomazio- konstantea) erabiltzen da; ezkerrera desplazatzean, ordea, K_r ( abiadura konstantea).Erreakzioaren azkartasuna eskubirantz desplazatzen denean: K_f  = k_f [A][B]²

Eta ezkerrerantz: K_r = k_r [AB₂]

K_f  eta K_r berdintzean, ordea: K_f  = K_r

k_f [A][B]² = k_r [AB₂]

${Kf \over Kr}={[AB2] \over [A][B]2}$

K_f eta K_r konstanteak dira, baina temperatura zehatz batean, beren zatidura ere konstante bat da zeina oreka konstantearen berdina den, hau da, K_c.

${Kf \over Kr}=Kc={[AB2] \over [A][B]^{2}}$

Horrela, Kc beti izango da konstante bat eta ez da orekan dauden erreaktiboen kontzentrazioen menpeko, beti izango baita ${Kf \over Kr}$- ren berdina, hau da, bi konstanteen zatidura tenperatura jakin batean. Konstante hauen balioek, ordea, badira tenperaturaren menpekoak; beraz, oreka konstateak tenperatura alda dezake.

Orain suposatuko dugu erreakzioa bi etapatan gertatzen dela:

• 1.etapa: 2B ↔ B₂   non Kf’ eta Kr’ ematen diren.
• 2.etapa: A + B₂ ↔ AB₂ non Kf’’ eta Kr’’ ematen diren.

• Erreakzio osoa: A + 2B ↔ AB₂

Hau oreka multipleen adibide bat, hurrengo sekzioan azalduko den bezalakoa. Beraz, oreka konstanteen expresioak hurrengoak izango dira:

$K'={Kf' \over Kr'}={[B2] \over [B]^{2}}$

$K''={Kf'' \over Kr''}={[AB2] \over [A][B2]}$

Eta bi hauek biderkatuz : $K''K'={[AB2][B2] \over [B]^{2}[A][B2]}$

Erreakzio globalerako, aldiz: $Kc=K''K'={[AB2] \over [A][B]^{2}}$

Lehen esan bezala, K' eta K'' ere konstanteak direnez, Kc ere konstante bat izango da. Beraz, emaitza honekin hurrengoa ondorizota dezakegu: aA + bB  ↔ cC + dD. Ez du kontuan izango erreakzio hau hainbat etapan lortzen dela, beraz oreka-konstantea honela idatz dezakegu:

$Kc={[C]^{c}[D]^{d} \over [A]^{a}[B]^{b}}$

Beraz, energia zinetikoaren puntutik ikus dezakegu erreakzio baten oreka konstantea formazio- eta erreakzio- konstanteen bidez adierazten dela edozein norantzatan, eta, ondorioz, orain errezago uler dezakegu zergatik den oreka-konstantea, Kc, konstante bat eta zergatik aldatzen den tenperaturarekin.

Oreka multipleak

Demagun azido diprotiko bat, ${\ce {H2A}}$ adibidez, azido hau bi desprotonazio jasan dezake ${\ce {HA-}}$eta ${\ce {A^2-}}$ ioiak emanez beraien oreka konstanteekin:

${\ce {\mathrm {H_{2}A\rightleftarrows HA^{-}} }}$+ ${\ce {H^{+}{:K_{1}}=\mathrm {\frac {[HA^{-}][H^{+}]}{[H_{2}A]}} }}$

${\ce {HA^- <=>}}$${\ce {A^2-}}$+ ${\ce {H+}}$${\ce {{:K_{2}}=\mathrm {\frac {[A^{2-}][H^{+}]}{[HA^{-}]}} }}$

K1 eta K2 azido diprotikoaren desproteonazioaren oreka konstanteak izanik, kontsideratuko da kostante "orokor" bat $\beta _{D}$, zeina K1 eta K2 konstenteen arteko biderkadura izango den:

${\ce {\mathrm {H_{2}A\rightleftarrows A^{2-}} }}$+ ${\ce {2H^+}}$${\ce {{:\beta _{D}}=\mathrm {\frac {[A^{2-}][H^{+}]^{2}}{[H_{2}A]}} {=K_{1}K_{2}}}}$

Kontuan izan behar da, K1 eta K2 disozioazio konstanteak direla desprotonazio batez hitz egiten delako, batzutan oso gomendagarria da asoziazio konstanteak erabiltzea.^[2]

Orekaren aldaketak

Oreka, zuzenki eta alderantzizko norabidean ematen diren erreakzioen arteko balantzea da, oso erraz desegin daitekeena. Apurtzen denean, erreakzioa alde batera edo bestera lerratuko da, nahi dugun produktu gutxiago edo gehiago sortuz.

Presioa, kontzentrazioa, bolumena eta tenperatura dira orekan eragina duten faktoreak.

Le Chatelier-en printzipioa

Le chatelier-en printzipioa, Henri-louis Le Châtelier-ek (1850-1936) garatu zuen, 1882an. Honako hau esan zuen:

Orekan dagoen sistema bati, faktore bat aldatzen badiozu, oreka deseuztatu egingo da. Sistema horrek saiatuko da aldaketa horren eragina minimoa izatea, errreakzioa doituz eta oreka egoera berri batera ailegatuz.

Printzipio hau, lehen aipatutako faktoreak eragingo duten aldaketak behatzeko erabiliko dugu.

Bolumenaren edo Presioaren aldaketaren eragina

Presioaren aldaketak likido eta solido espezie erreaktiboetan ez dute ia eraginik sistema baten orekak. Gasetan, aldiz, presioa aldatzen denean, hauen kontzentrazioa erraz aldatu egiten da:

pV=nRT ${\ce {->}}$ $P=\left({\frac {1}{V}}\right)\centerdot nRT$

Formulan ikus dezakegunez, P eta V alderantzizko proportzionalak dira. Orduan, presioa igotzen denean, bolumena txikitu egingo da eta presioa jeisten denean, bolumena igo egingo da.

aA + bB ${\ce {<=>}}$ cC

Erreakzio batean, lehenik eta behin, mol kopuru handiagoa daukaten gaietan fijatuko gara, hau da, produktuen eta erreaktiboen artean zeinek daukan mol gehien. Mol gehien daukanak, presio handiagoa egingo du sisteman. Orduan, Tenperatura konstantean, sistemaren presioa handitzen badugu, erreakzioak hau jaisteko joera izango du, eta mol txikiena daukan aldera lerratuko da, eta hortaz, bolumen gutxiago okupatuko du. Frogapena, Kc eta Kp erabiliz egingo dugu. Frogapen hauetan, ikus dezakegu sistemak egiten dituen aldaketak Kc edo Kp konstante mantentzeko:

• Kc: Kc = ${[C] \over [A]\centerdot [B]}$ $\Longrightarrow$ $Kc={\displaystyle {[{nC \over V}] \over [{nA \over V}]\centerdot [{nB \over V}]}}$$\Longrightarrow$$Kc={1 \over {1 \over V}}\centerdot {\displaystyle {nC \over nA\centerdot nB}}$$\Longrightarrow$$Kc=V\downarrow \centerdot {\displaystyle {nC\uparrow \over {\bigl (}nA\centerdot nB{\bigr )}\downarrow }}$
• Kp: $kp={\displaystyle {{\bigl (}Pc{\bigr )}^{c} \over {\bigl (}P_{A}{\bigr )}^{a}\centerdot {\bigl (}P_{B}{\bigr )}^{b}}}$$\Longrightarrow$${\displaystyle kp={\displaystyle {{\bigl (}P_{T}\centerdot X_{C}{\bigr )}^{c} \over {\bigl (}P_{T}\centerdot X_{A}{\bigr )}^{a}\centerdot {\bigl (}P_{T}\centerdot X_{B}{\bigr )}^{b}}}}$${\displaystyle \Longrightarrow }{\displaystyle {\displaystyle kp={{1 \over P_{T}\uparrow }\downarrow \centerdot \displaystyle {{}X_{C}\uparrow \over {\bigl (}X_{A}\centerdot X_{B}{\bigr )}\downarrow {}}}}\uparrow }$

Orokorrean, presioa handitzean, oreka, molak erreduzitzen duen erreakziora lerratuko da eta presioa txikitzean, aldiz, oreka mol kopurua handitzen duen aldera lerratuko da oreka. Molak aldatzen ez diren oreka batekin lan egiten badugu, bolumen edo presioaren aldaketa orekaren posizioa ez du modifikatuko.

Sistema baten presioa aldatu nahi badugu bere bolumena aldatu gabe, gas geldoak erabiliko ditugu, hurrengo puntuan azaltzen den moduan.

Gas geldoen eragina

Gas geldo bat, hala nola, helioa den bezala, beste elementu edo konposatuekin erreakzionatzen ez duena da. Gas-fasean dagoen oreka bati gas geldo bat gehitzen bazaio eta oreka hau konstante batean badago, ez du desplazamendurik ematen. Izan ere, gas ez-erreaktibo baten gehikuntzak ez du orekan eraginik, zeren eta gas geldoak erreakzio kimikoaren bi aldeetan agertzen dira. Adibidez, A eta B-k erreakzionatzen badute C eta D lortzeko, baina X-ak ez badu erreakzioan parte hartzen:

aA + bB + xX ↔ cC +dD+ xX. Egia da, sistemaren presio totala handitu egiten dela fenomeno hau gertatzean , baina presio totalak ez du zerikusirik orekako konstanteekin, baizik eta, presio partzialen aldaketa ematen da zeinak orekan aldakuntza bat eragingo duten. Hala ere, bolumena handitzen bada prozesuan, gas guztien presio partziala gutxituko da eta ondorioz, desplazamendu bat emango da mol kopuru handiena dagoen alderantz.

Tenperatura aldaketaren eragina

Orekan dagoen erreakzio batean tenperatura aldaketa bat eragitea izango zuen eragina jakiteko, aldez aurretik erreakzioa exotermikoa edo endotermikoa den jakin behar dugu. Segun eta erreakzioa exotermikoa edo endotermikoa izan, tenperaturan aldaketak eragin ezberdina izango du.

Demagun erreakzio hau dugula:

$N_{2}O_{4}(g)\rightleftharpoons 2NO_{2}(g)$

Eskuineranzko noranzkoa duen erreakzioa endotermikoa da. Erreakzio endotermikoak entalpiaren balioa positiboa duten erreakzioak dira. Erreakzio hauek beroa hartzen dute (ΔHᐤ ᐳ 0):

$Beroa+N_{2}O_{4}(g)\longrightarrow 2NO_{2}(g)$ ΔHᐤ = 58,0 kJ/mol

Ondorioz, aurkako noranzkoa duen erreakzioa exotermikoa da. Erreakzio exotermikoak entalpiaren balioa negatiboa duten erreakzioak dira. Erreakzio hauek beroa askatzen dute (ΔHᐤ ᐸ 0):

$2NO_{2}(g)\longrightarrow N_{2}O_{4}(g)+beroa$ ΔHᐤ = -58,0 kJ/mol

Beroa erreaktibo kimiko bat balitz moduan hartzen da. Sistemaren tenperatura igotzen badugu, erreakzio endotermikoa produktuetarantz desplazatuko da, hau erreakzio endotermikoetan beroa erreaktiboen aldean kokatzen delako gertatzen da. Tenperatura igotzean orekaren apurketa bat eman da, eta apurketa hau konpentsatzeko, sistemak produktuetarantz joko du, oreka berreskuratzeko asmoz. Aldiz, erreakzio exotermikoa erreaktiboetarantz desplazatuko da, beroa produktuen aldean kokatzen delako, eta orekan emango den apurketa konpentsatzeko sistemak erreaktiboetarantz joko du.

Era berean, sistemaren tenperatura jeisten badugu, erreakzio endotermikoa erreaktiboetarantz desplazatuko da, beroa erreaktiboen aldean kokatzen delako, horrela, bero galera hori konpentsatu eta oreka berreskuratzeko. Baina erreakzio exotermikoetan sistema produktuetarantz desplazatuko da, erreakzio exotermikoetan produktuetan kokatzen delako beroa.

Kontzentrazio aldaketaren eragina

Erreaktibo edo produktuen kontzentrazio aldaketaren bat gauzatzen badugu, oreka apurtuko dugu. Sistema aldaketa horri aurre egiteko eskuinerantz edo ezkerrerantz desplazatuko da oreka berriro ere lortzeko.

Erreaktiboren baten kontzentrazioa handitzen bada, erreakzioa eskuinerantz desplazatuko da, hau da, produktuetarantz. Baina, erreaktiboren baten kontzentrazioa txikitzen bada, galera hori konpentsatzeko sistema ezkerrerantz desplazatuko da, hau da, erreaktiboetarantz.

Bestalde, produkturen baten kontzentrazioa handitzen bada, erreakzioa ezkerrerantz desplazatuko da, hau da, erreaktiboetarantz. Eta, produkturen baten kontzentrazioa txikitzen bada, galera hori konpentsatzeko sistema eskuinerantz desplazatuko da, hau da, produktuetarantz.

Oreka kimikora heltzeko behar den kontzentrazio aldaketaren neurria Le Châtelier printzipioaren bitartez ezartzen da: ezkerrerantz desplazatzen bada erreakzioa, erreaktiboaren kantitatea bera izango da; eskubirantz, berriz, katalizatzailaren kantitatea izango da.

Katalizatzaileen aldaketaren eragina

Katalizatzaileak ez du eraginik orekan, baizik eta orekaren abiaduran; izan ere, orekaren abiadura azkartzen du energia-aktibazioa gutxituz. Honek esan nahi du, abiadurak eragin berdina izango duela erreakzioaren bi noranzkoetan. Ondorioz, esan dezakegu, katalizatzaile batek ez duela eraginik orekan, eta ez duela desplazamendurik ematen. Katalizatzaileak egiten duena zera da: edozein erreakzioren nahasketa baten abiadura azkartuko du erreakzio zuzen eta alderantzizkoan, horrela orekako kontzentrazioen balioak azkarrago lortu ahal izateko.

Ikus, Gainera

Gibbs-en energia

Le Chatelier-en printzipioa

Termodinamika

Zinetika kimiko

Kanpo loturak

• YouTube video of Le Châtelier's principle and pressure

Bibliografia

http://fresno.pntic.mec.es/~fgutie6/quimica2/ArchivosHTML/Teo_2_princ.htm#Q

http://www.hiru.eus/eu/quimica/la-constante-de-equilibrio [1]

https://es.wikipedia.org/wiki/Equilibrio_qu%C3%ADmico#Equilibrios_m.C3.BAltiples[2]

Raymond Chang, QUIMICA, Mc Graw Hill companies, Mexico, 2010.

http://www.euskara.euskadi.eus/r59-luredir/es/contenidos/articulo/c1201/eu_d1201019/1201019.html

Artikulu hau kimikari buruzko zirriborroa da. Wikipedia lagun dezakezu edukia osatuz.