Κεφάλαιο 4.1 – Έννοια χημικής ισορροπίας – Απόδοση αντίδρασης (σελ. 124-126) – Απαντήσεις – Λύσεις

Ερωτήσεις - Ασκήσεις - Προβλήματα

Άσκηση 1 (σελ. 125)

Τι σημαίνει ότι η χημική ισορροπία είναι δυναμική ισορροπία;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανάκληση του ότι οι δύο αντίθετες αντιδράσεις συνεχίζονται αδιάκοπα με ίσες ταχύτητες.

Απάντηση: Σημαίνει ότι στην ισορροπία οι δύο αντίθετες αντιδράσεις (προς τα δεξιά και προς τα αριστερά) συνεχίζουν να πραγματοποιούνται αδιάκοπα, αλλά με ίσες ταχύτητες (υ₁=υ₂). Έτσι οι μακροσκοπικές συγκεντρώσεις όλων των σωμάτων παραμένουν σταθερές — δεν πρόκειται για στατική κατάσταση όπου οι αντιδράσεις έχουν σταματήσει.

Άσκηση 2 (σελ. 125)

Ποιες αντιδράσεις ονομάζονται αμφίδρομες;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανάκληση ορισμού.

Απάντηση: Αμφίδρομες ονομάζονται οι αντιδράσεις που πραγματοποιούνται ταυτόχρονα και προς τις δύο κατευθύνσεις και καταλήγουν σε κατάσταση χημικής ισορροπίας. Συμβολίζονται με διπλό βέλος (⇌), π.χ. H₂(g)+I₂(g)⇌2HI(g).

Άσκηση 3 (σελ. 125)

Τι ονομάζεται ομογενής ισορροπία και τι ετερογενής; Δώστε ένα παράδειγμα για κάθε περίπτωση.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Κριτήριο: αν όλα τα σώματα βρίσκονται στην ίδια φάση ή όχι.

Απάντηση: Ομογενής ισορροπία έχουμε όταν όλα τα αντιδρώντα και προϊόντα βρίσκονται στην ίδια φάση, π.χ. N₂(g)+3H₂(g)⇌2NH₃(g) (όλα αέρια). Ετερογενής ισορροπία έχουμε όταν τα σώματα βρίσκονται σε περισσότερες από μία φάσεις, π.χ. CaCO₃(s)⇌CaO(s)+CO₂(g) (στερεά+αέριο).

Άσκηση 4 (σελ. 125)

Τι είναι απόδοση αμφίδρομης αντίδρασης;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανάκληση ορισμού λόγου πρακτικής προς θεωρητική ποσότητα.

Απάντηση: Απόδοση (α) μιας αντίδρασης είναι ο λόγος της ποσότητας ουσίας που σχηματίζεται πρακτικά προς την ποσότητα που θα σχηματιζόταν θεωρητικά, αν η αντίδραση ήταν μονόδρομη (ποσοτική).

Άσκηση 10 (σελ. 125)

Ποιες από τις παρακάτω ισορροπίες είναι ομογενείς και ποιες ετερογενείς; α. N₂(g)+3H₂(g)⇌2NH₃(g) β. CaCO₃(s)⇌CaO(s)+CO₂(g) γ. AgCl(s)⇌Ag⁺(aq)+Cl⁻(aq) δ. NH₄⁺(aq)+F⁻(aq)⇌NH₃(aq)+HF(aq)

Σκέψη / Μεθοδολογία: Εξετάζουμε αν όλα τα σώματα κάθε ισορροπίας βρίσκονται στην ίδια φάση.

Λύση:

1. α. Όλα τα σώματα είναι αέρια (g) ⟹ ομογενής.
2. β. Δύο στερεά και ένα αέριο ⟹ ετερογενής.
3. γ. Ένα στερεό (s) και δύο υδατικά ιόντα (aq) ⟹ ετερογενής.
4. δ. Όλα τα σώματα είναι σε υδατικό διάλυμα (aq) ⟹ ομογενής.

Απάντηση: α. Ομογενής. β. Ετερογενής. γ. Ετερογενής. δ. Ομογενής.

Πρόσεξε: Το (aq) θεωρείται μία ενιαία φάση (υδατικό διάλυμα)· διαφορετική φάση από (s).

Άσκηση 11 (σελ. 125)

Να συμπληρώσετε τα κενά: α. Στην κατάσταση χημικής ισορροπίας συνυπάρχουν ποσότητες από όλα τα .......... και .........., χωρίς οι ποσότητές τους να .......... με την πάροδο του χρόνου, εφόσον οι συνθήκες παραμένουν σταθερές. β. Η χημική ισορροπία είναι .......... και όχι στατική. Αυτό σημαίνει ότι οι αντιδράσεις πραγματοποιούνται ταυτόχρονα και με την .......... ταχύτητα. γ. Αντιδράσεις που πραγματοποιούνται και προς τις δύο κατευθύνσεις ταυτόχρονα και καταλήγουν σε κατάσταση .......... ονομάζονται .......... αντιδράσεις. δ. Ομογενή ισορροπία έχουμε όταν τα αντιδρώντα και .......... βρίσκονται σε .......... φάση. Ετερογενή ισορροπία έχουμε όταν τα .......... και τα προϊόντα βρίσκονται σε .......... από μία φάσεις.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Άμεση ανάκληση των ορισμών της θεωρίας §4.1.

Απάντηση: α. ...αντιδρώντα και προϊόντα, χωρίς οι ποσότητές τους να μεταβάλλονται... β. Η χημική ισορροπία είναι δυναμική... με την ίδια ταχύτητα. γ. ...κατάσταση χημικής ισορροπίας ονομάζονται αμφίδρομες αντιδράσεις. δ. ...τα αντιδρώντα και προϊόντα βρίσκονται σε ίδια φάση... τα αντιδρώντα και τα προϊόντα βρίσκονται σε περισσότερες από μία φάσεις.

Άσκηση 12 (σελ. 126)

Ποια από τις παρακάτω προτάσεις που αφορούν τη χημική ισορροπία είναι λάθος; α. Στην κατάσταση ισορροπίας οι ταχύτητες των δύο αντιδράσεων που εκφράζουν τις δύο αντίθετες φορές είναι ίσες. β. Στην κατάσταση ισορροπίας οι ποσότητες όλων των σωμάτων που είναι παρόντα είναι ίσες. γ. Η κατάσταση χημικής ισορροπίας είναι μια δυναμική ισορροπία.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Η ισορροπία σημαίνει σταθερές (όχι ίσες μεταξύ τους) ποσότητες, και ίσες ταχύτητες των δύο αντιδράσεων.

Λύση:

1. Η α είναι σωστή (ορισμός ισορροπίας μέσω ταχυτήτων).
2. Η β είναι λάθος: η ισορροπία σημαίνει σταθερές ποσότητες με τον χρόνο, όχι ίσες ποσότητες μεταξύ των διαφορετικών σωμάτων.
3. Η γ είναι σωστή.

Απάντηση: Λάθος είναι η πρόταση β.

Πρόσεξε: Μην συγχέετε «σταθερές συγκεντρώσεις με τον χρόνο» με «ίσες συγκεντρώσεις μεταξύ των σωμάτων».

Άσκηση 13 (σελ. 126)

Δίνεται η ισορροπία 2A(g)+B(g)⇌Γ(g). Προσθέτουμε σε κενό δοχείο ίσο αριθμό mol B και Γ και καθόλου Α. Στην ισορροπία θα έχουμε οπωσδήποτε: α. [A]=[B] β. [B]=[Γ] γ. [A]<[Γ] δ. [B]>[Γ]

Σκέψη / Μεθοδολογία: Αφού αρχικά [Α]=0, το σύστημα δεν είναι σε ισορροπία (η αντίστροφη αντίδραση Γ→2Α+Β πρέπει να προχωρήσει κάπως). Έστω n₀ τα αρχικά ίσα mol Β και Γ, και x mol Γ που διασπώνται: Β_ισ=n₀+x, Γ_ισ=n₀-x, με x>0.

Λύση:

1. Αφού [A]=0 αρχικά, το σύστημα δεν βρίσκεται σε ισορροπία και η αντίστροφη αντίδραση (διάσπαση Γ) προχωρά κατά x>0 mol.
2. Ισορροπία: A=2x, B=n₀+x, Γ=n₀-x.
3. Αφού x>0, ισχύει πάντα B=n₀+x > Γ=n₀-x, ανεξάρτητα από την τιμή της Kc.
4. Οι σχέσεις α, β, γ δεν είναι υποχρεωτικά αληθείς (εξαρτώνται από την Kc), ενώ η δ ισχύει οπωσδήποτε.

Απάντηση: δ. [B]>[Γ].

Πρόσεξε: Η σχέση δ ισχύει ανεξάρτητα από την αριθμητική τιμή της Kc — είναι συνέπεια μόνο της στοιχειομετρίας.

Άσκηση 14 (σελ. 126)

Δίνεται η ισορροπία N₂(g)+3H₂(g)⇌2NH₃(g). Σε δοχείο προσθέτουμε ίσο αριθμό mol N₂ και H₂. Στην ισορροπία, ποια από τις παρακάτω σχέσεις είναι οπωσδήποτε σωστή; α. [H₂]>[NH₃] β. [N₂]>[H₂] γ. [H₂]>[N₂] δ. [NH₃]>[N₂]

Σκέψη / Μεθοδολογία: Η αντίδραση απαιτεί αναλογία N₂:H₂=1:3, ενώ διαθέτουμε 1:1 — το H₂ είναι σχετικά ανεπαρκές, άρα καταναλώνεται περισσότερο ποσοστό του.

Λύση:

1. Έστω n₀ τα ίσα αρχικά mol N₂ και H₂, και x mol N₂ που αντιδρούν (0<x≤n₀/3, αφού το Η₂ επαρκεί μόνο για 3x≤n₀).
2. Ισορροπία: N₂=n₀-x, H₂=n₀-3x, NH₃=2x.
3. Αφού 3x>x (για x>0), ισχύει n₀-3x<n₀-x, δηλαδή H₂<N₂ πάντα.
4. Άρα ισχύει οπωσδήποτε [N₂]>[H₂].

Απάντηση: β. [N₂]>[H₂].

Άσκηση 15 (σελ. 126)

Να συμπληρώσετε με Σ όσες προτάσεις είναι σωστές και με Λ τις λανθασμένες. α. Οι μονόδρομες αντιδράσεις έχουν πάντοτε μεγάλη ταχύτητα και οι αμφίδρομες έχουν πάντοτε μικρή ταχύτητα. β. Η απόδοση μιας αμφίδρομης αντίδρασης είναι πάντοτε μικρότερη του 1. γ. Στην κατάσταση χημικής ισορροπίας οι συγκεντρώσεις όλων των αντιδρώντων είναι πάντοτε ίσες μεταξύ τους. δ. Στην κατάσταση χημικής ισορροπίας εφόσον οι συνθήκες παραμένουν σταθερές, οι συγκεντρώσεις όλων των αντιδρώντων και προϊόντων παραμένουν σταθερές.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Ο χαρακτηρισμός μονόδρομη/αμφίδρομη αφορά το αν η αντίδραση φτάνει σε πλήρη μετατροπή, όχι την ταχύτητά της.

Λύση:

1. α. Λάθος: η ταχύτητα δεν συνδέεται με τον χαρακτηρισμό μονόδρομη/αμφίδρομη.
2. β. Σωστό: μια αμφίδρομη αντίδραση δεν φτάνει ποτέ σε πλήρη μετατροπή, άρα α<1.
3. γ. Λάθος: οι συγκεντρώσεις των διαφορετικών αντιδρώντων δεν είναι απαραίτητα ίσες μεταξύ τους.
4. δ. Σωστό: αυτός είναι ο ορισμός της χημικής ισορροπίας.

Απάντηση: α. Λ. β. Σ. γ. Λ. δ. Σ.

Άσκηση 16 (σελ. 126)

Σε κλειστό δοχείο σταθερού όγκου 2 L εισάγουμε 4 mol PCl₅ και θερμαίνουμε στους 200 °C, οπότε αποκαθίσταται η ισορροπία PCl₅(g)⇌PCl₃(g)+Cl₂(g). Αν η απόδοση είναι α=60%, να βρείτε: α. τις ποσότητες των τριών αερίων στην ισορροπία β. τις συγκεντρώσεις των τριών αερίων στην ισορροπία.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Ποσότητα PCl₅ που διασπάται = αρχική ποσότητα × απόδοση (στοιχειομετρία 1:1:1).

Λύση:

1. Διασπώνται 4×0,6=2,4 mol PCl₅.
2. Ισορροπία: PCl₃=2,4 mol, Cl₂=2,4 mol, PCl₅=4-2,4=1,6 mol.
3. Συγκεντρώσεις (V=2 L): [PCl₃]=[Cl₂]=2,4/2=1,2 M, [PCl₅]=1,6/2=0,8 M.

Απάντηση: α. PCl₅=1,6 mol, PCl₃=2,4 mol, Cl₂=2,4 mol. β. [PCl₅]=0,8 M, [PCl₃]=[Cl₂]=1,2 M.

Άσκηση 17 (σελ. 126)

Σε κλειστό δοχείο σταθερού όγκου V=41 L εισάγουμε 29,7 g φωσγενίου COCl₂ και θερμαίνουμε στους 227 °C, οπότε αποκαθίσταται η ισορροπία: COCl₂(g)⇌CO(g)+Cl₂(g). Στην κατάσταση χημικής ισορροπίας έχουμε 4,2 g CO. Ζητούνται: α. οι ποσότητες των τριών αερίων στην ισορροπία β. η απόδοση της αντίδρασης γ. η πίεση κάθε αερίου στην ισορροπία δ. η ολική πίεση του μίγματος των τριών αερίων στην ισορροπία.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Υπολογίζουμε τα αρχικά mol COCl₂ (M=99 g/mol) και τα mol CO στην ισορροπία (M=28 g/mol), κατόπιν εφαρμόζουμε στοιχειομετρία 1:1:1 και την καταστατική εξίσωση αερίων PV=nRT με R=0,082 L·atm/(mol·K), T=500 K.

Λύση:

1. n(COCl₂)₀=29,7/99=0,3 mol. n(CO)ισ=4,2/28=0,15 mol ⟹ αντίδρασαν 0,15 mol COCl₂.
2. Ισορροπία: COCl₂=0,3-0,15=0,15 mol, CO=0,15 mol, Cl₂=0,15 mol (n_ολ=0,45 mol).
3. α. Απόδοση = 0,15/0,3 = 0,5 = 50%.
4. T=227+273=500 K. Κάθε αέριο έχει ίδια mol (0,15), άρα ίδια μερική πίεση: p=nRT/V=0,15×0,082×500/41=0,15 atm.
5. Ολική πίεση: P=n_ολ·RT/V=0,45×0,082×500/41=0,45 atm.

Απάντηση: α. COCl₂=0,15 mol, CO=0,15 mol, Cl₂=0,15 mol. β. Απόδοση=50%. γ. p(COCl₂)=p(CO)=p(Cl₂)=0,15 atm. δ. P_ολ=0,45 atm.

Πρόσεξε: Η πηγή (PDF) ανέγραφε λανθασμένα V=4 L· η τιμή διορθώθηκε σε V=41 L, η μόνη συμβατή με τις δοσμένες απαντήσεις του βιβλίου (P_CO=0,15 atm, P_ολ=0,45 atm).

Άσκηση 18 (σελ. 127)

Σε κλειστό δοχείο σταθερού όγκου V=0,82 L εισάγουμε 0,04 mol N₂O₄ και θερμαίνουμε στους 127 °C, οπότε αποκαθίσταται η ισορροπία: N₂O₄(g)⇌2NO₂(g). Σε σταθερή θερμοκρασία (θ=127 °C) και στην ισορροπία η ολική πίεση είναι 2 atm. α. Πόσα mol από κάθε αέριο υπάρχουν στην ισορροπία; β. Ποια η μερική πίεση κάθε αερίου στην ισορροπία; γ. Ποιος είναι ο βαθμός διάσπασης του N₂O₄, που είναι δηλαδή η απόδοση της αντίδρασης;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Από την καταστατική εξίσωση βρίσκουμε τα συνολικά mol στην ισορροπία, από όπου προκύπτει η ποσότητα που αντέδρασε.

Λύση:

1. T=127+273=400 K. n_ολ=PV/(RT)=2×0,82/(0,082×400)=1,64/32,8=0,05 mol.
2. Έστω x mol N₂O₄ που αντιδρούν: n_ολ=(0,04-x)+2x=0,04+x=0,05 ⟹ x=0,01 mol.
3. Ισορροπία: N₂O₄=0,03 mol, NO₂=2×0,01=0,02 mol.
4. Μερικές πιέσεις (μοριακά κλάσματα): p(NO₂)=2×(0,02/0,05)=0,8 atm, p(N₂O₄)=2×(0,03/0,05)=1,2 atm.
5. Βαθμός διάσπασης = x/0,04 = 0,01/0,04 = 0,25 = 25%.

Απάντηση: α. N₂O₄=0,03 mol, NO₂=0,02 mol. β. p(N₂O₄)=1,2 atm, p(NO₂)=0,8 atm. γ. Βαθμός διάσπασης = 25%.

Άσκηση 19 (σελ. 127)

Σε κλειστό δοχείο εισάγουμε ποσότητα CO₂ και θερμαίνουμε στους 1127 °C, οπότε διασπάται το CO₂ κατά 50% σύμφωνα με την αντίδραση: 2CO₂(g)⇌2CO(g)+O₂(g). Στην ισορροπία, ποια από τις ακόλουθες σχέσεις ισχύει; α. p(CO₂)=p(CO)=p(O₂) β. p(O₂)=2p(CO)=p(CO₂) γ. p(CO₂)=p(CO)=2p(O₂) δ. p(O₂)=2p(CO)=2p(O₂)

Σκέψη / Μεθοδολογία: Έστω n αρχικά mol CO₂· διασπώνται 0,5n. Από στοιχειομετρία 2:2:1, σχηματίζονται CO=0,5n και O₂=0,25n, ενώ απομένει CO₂=0,5n.

Λύση:

1. CO₂_ισ=n-0,5n=0,5n, CO_ισ=0,5n, O₂_ισ=0,25n.
2. Λόγος mol (άρα και μερικών πιέσεων, ίδιο V,T): CO₂:CO:O₂ = 0,5n : 0,5n : 0,25n = 2:2:1.
3. Άρα p(CO₂)=p(CO)=2p(O₂).

Απάντηση: γ. p(CO₂)=p(CO)=2p(O₂).