Rychlokurz chemie
Rychlokurz chemie (27/43) · 10:56

Chemické rovnováhy Hank nám vysvětlí základy chemické rovnováhy a Le Chatelierův princip. Také se dozvíme pár pikantních detailů ze života Fritze Habera a Henryho Le Chateliera.

Život musí být vyvážený. Chceme mít vyvážený účet, stravu, vyvážený poměr mezí prací a zábavou a taky zdravé vnitřní ucho, abysme pořád nepadali. Mnoho věcí s tou rovnováhou může zamávat. Jeden dlouhý večer v hospodě vám může rozhodit finance, stravování i vztahy. Ve vědě používáme pro vyváženost termín rovnováha. Rovnováha může být například porušena v biologických ekosystémech. To naštěstí většinou nevadí, protože si příroda najde cestu k obnovení rovnováhy. Pokud se třeba přemnoží jeleni v lese, tak jim dojde jídlo, prostor, přijdou predátoři a populace se vrátí zpátky na svou původní hodnotu. A já si třeba občas můžu dát párek v rohlíku, bez toho abych ohrozil svou vyváženou stravu. Musím to ale vyvážit něčím, co nebylo vyrobeno ve fast foodu. Často nám připadá, že chemické reakce mají začátek a konec. Začnete s reaktanty, proběhne chemická reakce, a vylezou vám produkty. Hotovo. Ale to není vše. Většinou neskončíte u čistých produktů. Chemické reakce také hledají rovnováhu. Stejně jako nám, i je to stojí určité úsilí, aby ji nalezly. Je běžné přemýšlet o chemických reakcích jako o jednoduchých přímočarých dějích. Ale ve skutečnosti reakce nikdy neskončí. Fakt nikdy. Když reaktanty reagují za vzniku produktů, čímž běžně definujeme chemickou reakci, je to přesněji nazýváno přímá reakce. Ale někdy probíhá i obrácená reakce, kde se produkty mění zpět na reaktanty. Tomu říkáme zpětná reakce. Proč se to vlastně děje je těžké vysvětlit bez černého pásku z chemického kung fu, ale souvisí to s Gibbsovou energií a reakcemi probíhajícími samovolně. Reakce jsou rovnovážné, pokud probíhají v obou směrech. Nejde jen o jednu reakci, která proběhne jednou. jde o miliony a biliony reakcí, jdoucí různými směry. A když přímá a zpětná reakce probíhají stejnou rychlostí, nastane takzvaná chemická rovnováha. A i když všichni chceme mít vyvážený život, v tomto případě nám to občas vadí. Ve skutečnosti se hodně chemiků snaží chemickou rovnováhu obejít. Chtějí ji uzpůsobit tak, aby v ní bylo co nejvíc potřebných produktů. na vrub rovnováhy, kterou hledá příroda. Ukažme si třeba Haberův proces, který produkuje amoniak z dusíku ve vzduchu. Když jsme jsme o ní mluvili dříve, popisovali jsme ji jako jednosměrnou reakci, protože to nám stačilo. Bohužel jsem vám lhal. Pardon. Alespoň to víte ode mě, a ne z reklam na ulicích. Ve skutečnosti chemické reakce probíhají rovnovážně. Když vodík a dusík reaguje na amoniak jejich koncentrace se snižuje. Tím se zmenší pravděpodobnost, že spolu budou reagovat. Takže rychlost přímé reakce se zpomalí. Zároveň roste koncentrace amoniaku, který se může zpětně rozpadat na původní plyny a rychlost zpětné reakce se zvýší. Nakonec dojde k tomu, že oba tyto procesy běží stejnou rychlostí. Potom už se nemění koncentrace žádného z plynů. Dusík a vodík stále reagují na amoniak, a zároveň dochází k rozpadu amoniaku na dusík a vodík. to ale neznamená, že se reakce zastaví. Reakce se nikdy nezastaví, akorát už nezměříme žádné změny, protože vše co se děje v jednom směru je vyváženo směrem opačným. Proto používám pro tyto reakce dvojitou šipku, což znamená, že proces probíhá v obou směrech. Stejně jako bych stál na balanční podložce, nepřestanu se hýbat. Budu se pohybovat různými směry, abych vyrovnával natočení podložky. Pokud se nakloní doleva, já to se pohnu doprava a naopak. Díky tomu nespadnu. Tedy snad ne. Naneštěstí je síla občas narušena. Jak každý správný Jedi ví, to musí být napraveno. Chemická rovnováha může být narušena změnou koncentrace některé sloučeniny. Stejně tak i změnou teploty nebo tlaku. Tyto změny můžeme popsat podle toho, jakým způsobem mění rovnováhu. Říkáme, že se rovnováha posune doprava, pokud se začne tvořit víc produktů. Podobně se rovnováha posune doleva, pokud se začne tvořit víc reaktantů. Toto již hezky popsal francouzský chemik Henry Louis Le Chatelier, který se narodil v Paříži v roce 1850. Dnes jeho studii říkáme Le Chatelierův princip a ten nám říká, že pokud změníme podmínky systému, který je v rovnováze, systém na to zareaguje tak, aby tuto změnu potlačil. To může udělat různými způsoby. Když třeba změním koncentraci libovolné sloučeniny v reakci, reakce se posune na tu stranu, kde se přirozeně obnoví rovnováha. Například u Haberovy reakce, pokud je v rovnováze, a my bychom přidali do směsi další dusík, bude mít vodík víc možností k reakci. A tím pádem se začne tvořit více amoniaku, čímž se reakce posouvá doprava. A to do té doby, než se neobnoví rovnováha. Pokud bych odebral amoniak, bude to mít podobný efekt. Bude tu menší množství amoniaku, proto začne převládat tvorba amoniaku nad tvorbou molekul dusíku a vodíku. Reakce se znovu posune doprava, dokud nebude rovnováha obnovena. Teď si ale poslechněte toto. V roce 1901 Le Chatelier zkoušel uchovávat dusík výrobou amoniak z dusíku a vodíku. Ale vzdal to po jednom neúspěšném pokusu, při kterém výbuch zabil jeho asistenta. O 8 let později německý chemik Fritz Haber tuto syntézu úspěšně provedl. Na rozdíl od Le Chateliera, který to vzdal kvůli smrti svého asistenta, Haber neměl problém s tím, že tento proces, nyní zvaný jakožto Haberův, byl použit, aby explozemi usmrtil stovky tisíc lidí obou dvou světových válek. Abychom ale byli spravedliví, tento proces zachránil životy milionům lidí, protože lze tímto procesem uchovávat dusík, ze kterého lze vyrábět hnojiva. Tedy tím započala éra moderního zemědělství. Za svůj objev dostal Haber v roce 1918 Nobelovu cenu. O 30 let později však byl uznán za válečného zločince a poslední roky svého života strávil nenáviděn jako ostuda celé své rodiny. Mezitím Le Chatelier, navzdory velkému objevu na poli rovnováhy, uznal pokusy na syntézu amoniaku jako největší vědecký omyl své kariéry. Podstatným faktem Haberova objevu byl způsob odvádění amoniaku ze směsi, aby byl prostor pro tvorbu nového. Tímto způsobem je zajištěno, aby přímá reakce běžela rychleji, než zpětná. Čímž je vlastně potlačován proces dosažení rovnováhy. Změna koncentrace složek je však jen část, konkrétně třetina, celého příběhu. Můžeme též měnit tlak. Podívejme se znovu na rovnici Haberova procesu. Vidíme, že nám reagují 4 moly plynu a vznikají pouze 2. Zde nám přímá reakce zmenšuje objem a zpětná ho naopak zvětšuje. To je důležité. Zvýšením tlaku víc ovlivníme větší objemy než ty menší. Proto se reakce posune doprava a bude vznikat víc amoniaku než při nízkém tlaku. A proto tento proces v průmyslu probíhá za tlaku 200 atmosfér. Snížení tlaku má opačný vliv. Reakce se posune na tu stranu, která pomůže rovnováhu znovu nastavit. Tím je v našem případě rozklad amoniaku. Posun doleva, kde jsou 4 moly plynu. Pevné látky a kapaliny tlakem tolik ovlivněné nejsou, proto čím máme v reakci více plynů, tím více ji lze ovlivňovat tlakem. Třetí, a zároveň poslední, možností, jak změnit pozici rovnováhy, je spojená se změnou teploty. Tady to začne být trochu komplikované, ale v podstatě si stačí pamatovat, že endotermické reakce, které spotřebovávají teplo, jsou upřednostňovány, když teplo přidáváme, takže ve vysokých teplotách probíhají více endotermní reakce. Naopak exotermní reakce, při kterých se teplo uvolňuje, jsou upřednostněny při nízkých teplotách. A protože exotermické reakce produkují teplo, to potom zvýhodní zpětné endotermní reakce. Takže když teplo přidáme, tak posuneme rovnováhu doleva. Ale když teplo odebíráme chlazením, tak reakce poběží doprava. Možná vás napadlo, že když to je pro chemiky tak důležité, jak to zjistí přesně? Jak zjistí, kolik které látky bude v rovnovážné směsi, kolik čeho mají přidat nebo jaká má být teplota a tlak, když se všechno pořád mění? Asi vás nepřekvapí, že nám k tomu pomůže matematika. K číslům se dostaneme příště, ale teď si pojďme hrát. Mluvil jsem o Haberově procesu, protože jde o jednoduchou a významnou reakci, a taky ji studoval Le Chatelier. Ale není to moc vizuálně efektní reakce. Mnohem zajímavější je rovnováha mezi dvěma kobaltnatými komplexy, Jeden z těchto iontů je růžový a druhý modrý. Rovnováhu můžeme vychýlit přidáním HCl. To zvýší koncentraci chlóru a posune reakci doprava na modrou stranu. Pokud přidám vodu, tak se reakce posune zpět do růžové. Super! Navíc můžu změnit rovnováhu teplotou. Pokud přidám teplotu, jako bych přidával reaktanty, reakce se posune doprava a směs znovu zmodrá. Asi tušíte, že když teplotu snížím, tak se rovnováha vrátí zpět. Můžeme tuhle reakci posouvat doleva či doprava klidně celý den, ale asi už máte představu. Rovnováha není o neměnnosti. Jde o udržení rovnováhy za měnících se podmínek. A teď si půjdu dát řecký salát, abych vybalancoval párky v rohlíku, které jsem možná měl o víkendu. Díky za sledování této epizody Rychlokurzu chemie. Pokud jste dávali pozor, tak už víte, že rovnováha je to samé jako vyrovnanost. A tu chemické reakce potřebují stejně, jako ji potřebujeme my všichni. Aby takové rovnováhy dosáhli, musí vyrovnávat změny a ne se úplně zastavit. Také jste se naučili, jak můžeme chemickou rovnováhu ovlivňovat změnou koncentrace, teplotou, ale také tlakem, pokud jsou v reakci přítomné plynné složky. Také jsme si povídali o Le Chatelierově principu a jeho neúspěšném pokusu, který je spojen s úspěšnou reakcí provedenou Fritzem Haberem, kterým je efektivní syntéza amoniaku. Tuto epizodu Rychlokurzu chemie napsal Edi Gonzales. Scénář editoval Blake de Pastino a náš chemický konzultant doktor Heiko Langner. Nicholas Jenkins se staral o kameru, editaci a režii, naší skriptkou je Katherine Green, Zvukovým designerem je Michael Aranda. A v neposlední řadě grafickým týmem je Thought Cafe.
video