2.   Statyka chemiczna

2.1   Stan równowagi chemicznej

Wszystkie reakcje chemiczne są procesami odwracalnymi (odwracalność chemiczna reakcji polega na możliwości przeprowadzenia jej w obu kierunkach). Dopiero w specjalnych warunkach reakcje mogą przebiegać nieodwracalnie np. gdy jeden z produktów opuszcza środowisko reakcji, reakcja wtedy biegnie aż do wyczerpania substratów.

Np. reakcja cynku z kwasem siarkowym:

(1.01)                         

prowadzona w otwartym naczyniu, z którego wodór może się wydzielać swobodnie, przebiega aż do wyczerpania Zn lub . Można jednak spowodować jej przebieg w odwrotnym kierunku:

(1.02)                         

wprowadzając wodór pod wysokim ciśnieniem do wodnego roztworu .

Ze zjawiskiem odwracalności reakcji wiąże się względny charakter terminów “substraty”, “produkty”. W celu uniknięcia dwuznaczności przyjmuje się, że substraty to substancje zapisane po lewej, a produkty po prawej stronie równania chemicznego.

Jak można zauważyć kierunek reakcji zależy od warunków. Teoretycznie każda reakcja w odpowiednich warunkach przebiega w obu kierunkach.

Jeżeli szybkość reakcji w prawo zdecydowanie dominuje nad szybkością reakcji w lewo, to substraty niemal ilościowo przereagowują w produkty a proces uważa się za praktycznie nieodwracalny, czyli biegnący do końca (rys.1.1a i b).

Rys.1.1. Stężenie substratów i produktów (a) oraz szybkość reakcji (b) jako funkcja czasu dla reakcji nieodwracalnej.

Gdy szybkości reakcji w obu kierunkach są takie same wówczas wytwarza się stan równowagi chemicznej (równoznaczny ze stanem równowagi termodynamicznej). W stanie równowagi chemicznej ilość substratów i produktów nie ulega zmianie choć obie reakcje zachodzą w dalszym ciągu (rys.1.2 a i b).

Rys.1.2. Stężenie substratów i produktów (a) oraz szybkość reakcji (b) jako funkcja czasu dla reakcji odwracalnej prowadzącej do równowagi chemicznej.

Stan równowagi chemicznej wytwarza się w układach zamkniętych (nie wymieniających masy z otoczeniem).

Dla określenia, że dana reakcja osiąga w danych warunkach stan równowagi stosuje się w równaniach chemicznych znak strzałki w obu kierunkach  zwany znakiem równowagi, np.:

(1.03)                                     

Jedną strzałkę stosuje się gdy:

- układ nie osiąga stanu równowagi np. podczas rozpuszczania metalu (cynku) w kwasie siarkowym w naczyniu otwartym

-  przy teoretycznym założeniu 100 % wydajności (np. prze obliczaniu efektów cieplnych) ciepła reakcji.

- jeżeli proces rozpatruje się w jednym kierunku w celu podania równania kinetycznego na szybkość reakcji w jedną stronę.