- (א) הבן מהו משמעות תגובה הפיכה; (ב) הבן מהו משמעות איזון דינמי בהקשר של שוויון קצבי התגובה הקדמית וההפוכה ושמירה על ריכוזים קבועים של חומרי המוצא והמוצרים; (ג) הבן את הצורך במערכת סגורה כדי לקיים איזון דינמי
- הגדר את עקרון לה-שטלייה כ advent: אם נעשה שינוי במערכת באיזון דינמי, מיקום האיזון זז כדי למזער את השינוי הזה
- השתמש בעקרון לה-שטלייה כדי להסיק באופן איכותי (מתוך נתונים מתאימים) את ההשפעות של שינויים בטמפרטורה, ריכוז, לחץ או נוכחות מצומם על מערכת באיזון
- הנה ביטויים עבור קבועי איזון בהתבסס על ריכוזים, $K_c$
- השתמש במונחים כמות חומר ו-לחץ חלקי
- גזור ביטויים לקבועי איזון ביחס ללחצים חלקיים, $K_p$ (שימוש בקשר בין $K_p$ ל$K_c$ אינו נדרש)
- השתמש בביטויים $K_c$ ו-$K_p$ לבצע חישובים (חישובים אלו לא ידרשו פתרון משוואות ריבועיות)
- חשב את הכמויות הקיימות באיזון, בהינתן נתונים מתאימים
- ציין האם שינויים בטמפרטורה, ריכוז או לחץ או נוכחות מצומם משפיעים על ערך קבוע האיזון לתגובה
- תאר והסבר את התנאים המשמשים בתהליך האבר ובתהליך הקונטאקט, כדוגמאות לחשיבות ההבנה של איזון דינמי בתעשייה הכימית וליישום עקרון לה-שטלייה
איזונים
כימיה A-Level · נושא 7
10:12
איזונים
חלק מהתגובות הופכות-חוזר מעולם לא מסתיימות. מערבבים את החומרים, הצבע משתנה, ואז הכל פשוט נעצר — במחצית הדרך. משאירים את זה לשבוע והוא נראה…
קריאת קול באנגלית · תרגום אנגלי + סינית שרוף בתוך הסרטון
7.1
תגובות הפיכות ושווי משקל דינמי
סיילבוס
מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'
תגובה הפוכה יכולה להתרחש בשני הכיוונים. התגובה הקדמית יוצרת תוצרים; התגובה ההפוכה ממירה תוצרים חזרה למגיבים. אנו מסמנים זאת עם הסימן $\rightleftharpoons$.
במערכת סגורה (ללא כניסה או יציאת חומרים), התגובה מגיעה לאיזון דינמי כאשר:
- קצב התגובה הקדמית שווה לקצב התגובה ההפוכה.
- ריכוזי המגיבים והתוצרים נשארים קבועים.
הוא מכונה דינמי כי שתיהן התגובות עדיין מתרחשות — הן פשוט מבטלות זו את זו. נדרשת מערכת סגורה, אחרת התוצרים היו בורחים ואיזון לעולם לא היה מושג.
חקור
איזון דינמי
קצב הקדימה = קצב האחור
בעת איזון, המיקום יכול להיות בכל מקום — שינוי תנאי וצפה כיצד הוא זז.
מילון מונחים
אימון
| English | עברית |
|---|---|
| reversible reaction/rɪˈvɜːsɪbl rɪˈækʃn/ | תגובה הפוכה |
| forward reaction/ˈfɔːwəd rɪˈækʃn/ | תגובה קדמית |
| reverse reaction/rɪˈvɜːs rɪˈækʃn/ | תגובה הפוכה |
| closed system/kləʊzd ˈsɪstəm/ | מערכת סגורה |
| dynamic equilibrium/daɪˈnæmɪk ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ | איזון דינמי |
| Le Chatelier's principle/lə ˈtʃeɪtlɪəz ˈprɪnsɪpl/ | עקרון לה-שטלייה |
| equilibrium/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ | איזון |
| catalyst/ˈkætəlɪst/ | מצעין |
| equilibrium constant/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm ˈkɒnstənt/ | קבוע איזון |
7.1
עקרון לה-שטליה
עקרון לה-שטליה אומר: אם שיניתם מערכת באיזון, מיקום האיזון יזוז כדי להתנגד (להפחית) לשינוי הזה.
| השינוי שעשיתם | לכיוון שאליו האיזון זז |
|---|---|
| הגברת ריכוז של מגיב | לעבר התוצרים |
| הגברת לחץ | לעבר הצד עם מספר מולקולות גז פחות |
| העלאת טמפרטורה | לעבר הכיוון האנדותרמי |
| הוספת קטליזטור | ללא הזזה (הוא מאיץ את השני כיוונים באותו קצב) |
קטליזט מאפשר להגיע לאיזון מהר יותר, אך הוא אינו משנה את מיקום האיזון.
חקור
הזזת איזון כימי
שנה טמפרטורה, לחץ או ריכוז ותצפה כי האיזון ישתבש כדי להתנגד לשינוי שלך – עקרון לה-שאטלייה בפועל.
7.1
קבעי איזון
לתגובה באיזון, קבוע האיזון מקשר בין כמות התוצרים לתגובנים. עבור התגובה $a\text{A} + b\text{B} \rightleftharpoons c\text{C} + d\text{D}$:
$$K_c = \frac{[\text{C}]^c\,[\text{D}]^d}{[\text{A}]^a\,[\text{B}]^b}$$
כאשר הסוגריים המרובעים מציינים ריכוז ב$\text{mol dm}^{-3}$.
דוגמה פתורה. באיזון התערובת $\text{H}_2 + \text{I}_2 \rightleftharpoons 2\text{HI}$ מכילה $[\text{H}_2] = 0.20$, $[\text{I}_2] = 0.20$ ו$[\text{HI}] = 1.6\ \text{mol dm}^{-3}$. מצאו את $K_c$.
$$K_c = \frac{[\text{HI}]^2}{[\text{H}_2][\text{I}_2]} = \frac{1.6^2}{0.20 \times 0.20} = 64$$
(ללא יחידות כאן, כי מערכי הריכוז מתבטלים למעלה ולמטה).
דוגמה פתורה (טבלת ICE). $1.00\ \text{mol}$ של כל $\text{H}_2$ ו$\text{I}_2$ נכלאים בבקבוק בעל נפח $1.00\ \text{dm}^3$; באיזון נותרה כמות $0.20\ \text{mol}$ של $\text{H}_2$. ערוכו טבלת ICE (התחלה, שינוי, איזון):
| $\text{H}_2$ | $\text{I}_2$ | $2\text{HI}$ | |
|---|---|---|---|
| התחלה | 1.00 | 1.00 | 0 |
| שינוי | $-0.80$ | $-0.80$ | $+1.60$ |
| איזון | 0.20 | 0.20 | 1.60 |
הגיבה כמות $0.80\ \text{mol}$ של $\text{H}_2$, ולכן נוצרה כמות $2\times0.80 = 1.60\ \text{mol}$ של HI. בבקבוק בעל נפח $1.00\ \text{dm}^3$ הריכוזים שווים למולים, ולכן $K_c = \dfrac{1.60^2}{0.20\times0.20} = 64$.
בתגובות גזים, אנו משתמשים בלחץ חלקי במקום בריכוז. הלחץ החלקי של גז הוא החלק מהלחץ הכולל שהוא ספק. הוא מחושב מהשבר המולי (השבר מכלל המולים שהם הגז ההוא):
$$\text{partial pressure} = \text{mole fraction} \times \text{total pressure}$$
הקבוע שנכתב עם לחצים חלקיים הוא $K_p$.
דוגמה פתורה. תערובת גזים מכילה $2.0\ \text{mol}$ של $\text{N}_2$ ו$6.0\ \text{mol}$ של $\text{H}_2$ בלחץ כולל של $200\ \text{kPa}$. מצאו את הלחץ החלקי של כל גז.
יש בסך הכל $8.0\ \text{mol}$, ולכן
$$p(\text{N}_2) = \frac{2.0}{8.0} \times 200 = 50\ \text{kPa}, \qquad p(\text{H}_2) = \frac{6.0}{8.0} \times 200 = 150\ \text{kPa}.$$
דוגמה פתורה (מספר $K_p$ נתון). עבור $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3$, הלחצים החלקיים באיזון הם $p(\text{N}_2)=20$, $p(\text{H}_2)=40$ ו$p(\text{NH}_3)=10\ \text{kPa}$. אז
$$K_p = \frac{p(\text{NH}_3)^2}{p(\text{N}_2)\,p(\text{H}_2)^3} = \frac{10^2}{20\times40^3} = 7.8\times10^{-5}\ \text{kPa}^{-2},$$
היחידות הנובעות מ$\dfrac{\text{kPa}^2}{\text{kPa}\times\text{kPa}^3}=\text{kPa}^{-2}$.
רק טמפרטורה משנה את הערך של $K_c$ או $K_p$. שינוי בריכוז או בלחץ מזיז את מיקום האיזון אך משאיר את הקבוע ללא שינוי; הוספת קטליזט משנה גם הקבוע גם את המיקום — היא רק גורמת לאיזון להגיע מהר יותר.
חקור
לה-שאטלייה ו-Kc
שנה טמפרטורה, לחץ או ריכוז והצפה את הזזת האיזון נגדו — Kc עצמו משתנה רק עם טמפרטורה.
מילון מונחים
אימון
| English | עברית |
|---|---|
| partial pressure/ˈpɑːʃl ˈpreʃə/ | לחץ חלקי |
| mole fraction/məʊl ˈfrækʃn/ | מול פרקטי |
| Haber process/ˈheɪbə ˈprəʊses/ | תהליך האבר |
| Contact process/ˈkɒntækt ˈprəʊses/ | תהליך הקונטקט |
| proton/ˈprəʊtɒn/ | פרוטון |
7.1
תהליכי האבר וקונטאקט
שני תהליכים תעשייתיים אלו נבחרים באיזון בין התפוקה, הקצב והעלות באמצעות עקרון לה-שאטלייה.
- תהליך האבר מייצר אמוניה: $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3$ (תגובה אקסותרמית). הוא משתמש בכ-$450\,°\text{C}$, $200\ \text{atm}$ ובקטליזת ברזל. טמפרטורה נמוכה תניב יותר אמוניה אך בתהליך איטי מדי, ולכן טמפרטורה מתונה היא פשרה.
- תהליך קונטאקט מייצר סולפיטרי: $2\text{SO}_2 + \text{O}_2 \rightleftharpoons 2\text{SO}_3$ (תגובה אקסותרמית). הוא משתמש בכ-$450\,°\text{C}$, כמעט ב-$1$–$2\ \text{atm}$ ובקטליזת חומצת ונדיום(V) אוקסיד.
חקור
תהליכי הרבר וקונטקט
התפשרות: תפוקה מול קצב
לחץ גבוה מגדיל תפוקה; טמפרטורה גבוהה מאיצה התגובה אך מפחיתה תפוקה — פשרה.
7.2
חומצות ובסיסים: תיאוריית ברונסטד-לאווריי
סיילבוס
- ציין שמות ונוסחאות של חומצות נפוצות, מוגבל ל-חומצה הידרוקלורית, $\text{HCl}$, חומצה גופריתית, $\text{H}_2\text{SO}_4$, חומצה ניטרית, $\text{HNO}_3$, חומצה אתנואית, $\text{CH}_3\text{COOH}$
- ציין שמות ונוסחאות של בסיסים נפוצים, מוגבל ל-הידרוקسيد נתרן, $\text{NaOH}$, הידרוקسيد אשלגן, $\text{KOH}$, אמוניה, $\text{NH}_3$
- תאר את תורת ברונסטד-לאורי לחומצות ובסיסים
- תאר חומצות חזקות ובסיסים חזקים כמתפרקים לחלוטין בתמיסה מימית, וחומצות חלשות ובסיסים חלשים כמתפרקים חלקית בתמיסה מימית
- הבן שמימית יש pH של 7, תמיסות חומציות pH מתחת ל-7 ותמיסות בסיסיות pH מעל ל-7
- הסבר באופן איכותי את ההבדלים בהתנהגות בין חומצות חזקות וחלשות, כולל התגובה עם מתכת פעילה והבדלים בערכי pH, באמצעות מד pH, אינדיקטור אוניברסלי או מוליכות
- הבנה כי תגובות ניטרול מתרחשות כאשר $\text{H}^+(\text{aq})$ ו$\text{OH}^-(\text{aq})$ יוצרים $\text{H}_2\text{O}(\text{l})$
- הבנה שמלחים נוצרים בתגובות ניטרול
- ציור גרף של עקומות טיטרציה לפי pH עבור טיטרציות המשתמשות בשילובים של חומצות חזקות וחלשות עם בסיסים חזקים וחלשים
- בחירת אינדיקטורים מתאימים לטיטרציות חומצה-בסיס, בהינתן נתונים רלוונטיים (ערכי $\text{p}K_a$ לא ייستخدمו)
מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'
פרוטון הוא פשוט יון $\text{H}^+$. תיאוריית ברונסטד-לאווריי מגדירה חומצות ובסיסים לפי מה שהן עושים עם פרוטונים:
- חומצה היא תורם פרוטונים (היא נותנת $\text{H}^+$).
- בסיס הוא קבלן פרוטונים (הוא לוקח $\text{H}^+$). בסיס שנמס במים נקרא אלקלי.
חומצות נפוצות שיש לדעת: חומצת הידרוכלורית ($\text{HCl}$), חומצת גופריתית ($\text{H}_2\text{SO}_4$), חומצת חנקית ($\text{HNO}_3$) וחומצת אתנואית ($\text{CH}_3\text{COOH}$). בסיסים נפוצים: נתרן הידרוקסיד ($\text{NaOH}$), אשלגן הידרוקסיד ($\text{KOH}$) ואמוניה ($\text{NH}_3$).
חקור
סולם ה-pH
החלק את ה-pH או בחר חומר — כל ירידה של צעד בסולם ה-pH מתאימה לעשר פעמים יותר יוני H⁺; חומציות היא מתחת ל-7, בסיסיות מעל.
7.2
חומצות ובסיסים חזקים וחלשים
דבר זה עוסק ביעילות בה which חומצה או בסיס מתפרקים במים — ולא בעובשה (הריכוז שלה).
- חומצה חזקה או בסיס חזק הם מנושרים לחלוטין במים (כמעט כל מולקולה מתפרקת ליונים).
- חומצה חלשה או בסיס חלש הם רק חלקית מנושרים (רוב המולקורות נשארות שלמות).
מדד ה-pH מודד את חומציותה של תמיסה: מים טהורים הם pH 7, חומצות נמצאות מתחת ל-7, ובסיסים נמצאים מעל 7. חומצה חזקה בעלת pH נמוך יותר מאשר חומצה חלשה באותו ריכוז.
ניתן להבדיל בין חומצות חזקות לחלשות על ידי:
- תגובה עם מתכת פעילה: חומצה חזקה זועזעת מהר יותר.
- pH: נמדד באמצעות מד pH או אינדיקטור אוניברסלי.
- מוליכות חשמלית: חומצה חזכה מוליכה טוב יותר, כי יש לה יותר יונים.
חקור
חומצה חזקה לעומת חומצה חלשה
חומצה חזקה מתיוןנת במלואה (pH נמוך); חומצה חלשה מתיוןנת רק חלקית, ולכן באותו ריכוז ה-pH שלה גבוה יותר. החלק כדי להשוות.
מילון מונחים
אימון
| English | עברית |
|---|---|
| acid/ˈæsɪd/ | חומצה |
| proton donor/ˈprəʊtɒn ˈdəʊnə/ | תורם פרוטון |
| base/beɪs/ | בסיס |
| proton acceptor/ˈprəʊtɒn əkˈseptə/ | מקבל פרוטון |
| strong acid/strɒŋ ˈæsɪd/ | חומצה חזקה |
| strong base/strɒŋ beɪs/ | בסיס חזק |
| dissociated/dɪˈsəʊsɪeɪtɪd/ | מתפרק |
| weak acid/wiːk ˈæsɪd/ | חומצה חלשה |
| weak base/wiːk beɪs/ | בסיס חלש |
| universal indicator/ˌjuːnɪˈvɜːsl ˈɪndɪkeɪtə/ | אינדיקטור אוניברסלי |
| Neutralisation/ˌnjuːtrəlaɪˈzeɪʃn/ | ניטרול |
| salt/sɒlt/ | מלח |
7.2
ניטרול, מלחים ועקומי טיטרציה
ניטרול מתרחש כאשר יוני מימן מחומצה מגיבים עם יוני הידרוקסיד מבסיס:
$$\text{H}^+(\text{aq}) + \text{OH}^-(\text{aq}) \rightarrow \text{H}_2\text{O}(\text{l})$$
נוצר גם מלח, מהחלק הנותר של החומצה והבסיס.
ב-טיטרציה מוסיפים תמיסה אחת לתוך אחרת ומעקבים אחרי ה-pH. עקומת הטיטרציה כוללת קפיצה תלולה, כמעט אנכית, סמוך לנקודת הסיום. הצורה המדויקת תלויה בזה אם כל אחד מהמתגיבים הוא חזק או חלש.
כדי לבחור אינדיקטור, בחר באחד ששינוי הצבע שלו נופל בתוך הקפיצה התלולה זו. עבור חומצה חזקה עם בסיס חזק, רוב האינדיקטורים עובדים; עבור חומצה חלשה עם בסיס חזק, תצטרך אינדיקטור שמשתנה בטווח ה-pG הגבוה יותר.
חקור
עקומת טיטרציה
הוסף בסיס לחומצה ותצפה את ה-pH לעלות. הקפיצה התלולה היא נקודת השוויון, שבה החומצה ניטרלה בדיוק.
מילון מונחים
אימון
| English | עברית |
|---|---|
| titration/taɪˈtreɪʃn/ | טיטרציה |
| titration curve/taɪˈtreɪʃn kɜːv/ | עקומת טיטרציה |
| indicator/ˈɪndɪkeɪtə/ | אינדיקטור |
7.2
טיפים לבחינות
- הגדר איזון דינמי עם כל שלוש הנקודות: קצבי ההתקף וההפוך שווים, ריכוזים קבועים, מערכת סגורה.
- ענה על שאלות לה-シャטלייה על ידי פירוש השינוי, כיוון ההזזה והסיבה; מזרז אינו מזיז את המיקום (הוא מאיץ את שני הקצבים).
- כתוב $K_c$ כתוצרים מחולקים במגיבים, כל אחד מוגבה למעלה מספר האיזון שלו; כלול סימני מצב כדי לקבוע מה מופיע.
- הצדק את תנאי האבר/קונטקט כ-התאמה בין תפוקה, קצב ועלות — אל תסתפק בפשוט לצטט אותם.
- ברונסטד: חומצה = נותן פרוטון, בסיס = מקבל פרוטון; זוגות לוואי נבדלים ב$\text{H}^+$ אחד.
שיעורים אינטראקטיביים בנושא זה
לעבור על הדברים צעד אחר צעד, עם תרגילים לבדיקה מיידית.