Chapter 12    ChemicalEquilibrium
Copyright ©  2005  by Pearson Education, Inc.
Publishing as Benjamin Cummings
Collision Theory of Reactions
A chemical reaction occurs when:
Collisions between molecules have sufficient energyto break the bonds in the reactants.
Molecules collide with the proper orientation.
Bonds between atoms of the reactants (N2 and O2)are broken and new bonds (NO) can form.
Copyright ©  2005  by Pearson Education, Inc.
Publishing as Benjamin Cummings
 Collision Theory of Reactions
A chemical reaction does not take place if the:
Collisions between molecules do not have sufficientenergy to break the bonds in the reactants.
Molecules are not properly aligned.
Copyright ©  2005  by Pearson Education, Inc.
Publishing as Benjamin Cummings
  N2          O2
  N2           O2
Activation Energy
The activation energyis the minimumenergy needed for areaction to takeplace.
When a collisionprovides energyequal to or greaterthan the activationenergy, product canform.
Reaction Rate and Temperature
Reaction rate,
Is the speed at which reactant is used up.
Is the speed at which product forms.
Increases when temperature rises becausereacting molecules move faster providing morecolliding molecules with energy of activation.
Reaction Rate and Concentration
Reaction rate,
Is affected by theconcentration of thereactants.
Is increased by addingmore reactants, whichincreases the number ofcollisions.
Reaction Rate and Catalysts
A catalyst:
Speeds up the rate ofa reaction.
Lowers the energy ofactivation.
Is not used up duringthe reaction.
Summary of Factors and ReactionRate
Learning Check
Indicate the effect of each factor listed on the rate of the
following reaction as: 1) increases  2) decreases
3) none
2CO(g)  +  O2(g)          2CO(g)
A.  Raising the temperature
B.  Adding O2
C.  Adding a catalyst
D.  Lowering the temperature
Reversible Reactions
In a reversible reaction, there is both a forward and a
reverse reaction.
Suppose SO2 and O2 are present initially. As theycollide, the forward reaction begins.
2SO2(g)   + O2(g)                2SO3  (g)
As  SO3 molecules form, they also collide in thereverse reaction that forms reactants. The reversiblereaction is written with a double arrow.
     forward
2SO2(g)   + O2 (g)               2SO3(g)
             reverse
Chemical Equilibrium
In a system at equilibrium
The rate of the forwardreaction becomes equalto the rate of the reversereaction.
The forward and reversereactions continue atequal rates in bothdirections.
There is no furtherchange in the amountsof reactant and product.
Equilibrium
A reaction of N2 and O2 forms NO, which reacts in the
reverse direction.  At equilibrium, the amounts of N2,
O2, and NO remain constant.
 
                 N2(g)  + O2(g)          2NO(g)
 
Learning Check
Complete with
1. equal        2. not equal    3. forward
4. reverse     5. changes   6. does not change
A.  Reactants form products in the ________ reaction.
B.  At equilibrium, the reactant concentration _______.
C.  When products form reactants, it is the _______ reaction.
D.  At equilibrium, the rate of the forward reaction is ______ to the
      rate of the reverse reaction.
E.   If the forward reaction is faster than the reverse, the amount of
      products ________.
Equilibrium Constants
For the following reaction:
  aA                   bB
The equilibrium constant expression, Kc, gives theconcentrations of the reactants and products atequilibrium.
 Kc     =    [B]b
[A]a
The square brackets indicate the moles/liter of eachsubstance.
The coefficients and a are written as superscriptsthat raise the moles/liter to a specific power.
Writing a Kc Expression
In the Kc expression for the following reaction atequilibrium:
2CO(g)   + O2(g)          2CO2(g)                   STEP 1
The products are shown in the numerator and thereactants are shown in the denominator.
Kc=      [CO2]      [products]      STEP 2
   [CO] [O2]          [reactants]
The coefficients are written as superscripts.      STEP 3
Kc=       [CO2]2
    [CO]2 [O2]
Learning Check
The Kc expression for the following reaction is:
N2(g)  +3Cl2(g)             2NCl3(g)
1)  [NCl3]2)     [N2][Cl2]3
[N2][Cl2]          [NCl3]2
3)       [NCl3]24)     [NCl3]2
 [N2]3 [Cl2]        [N2][Cl2]3
Heterogeneous Equilibrium
In heterogeneous equilibrium,
Solid and/or liquid states may be part of a reaction.
      2NaHCO3(s)           Na2CO3(s)  +  CO2(g)  +  H2O(g)
The concentration of solids and/or liquids is constant.
The Kc expression is written with only the gases.
  Kc   =   [CO2][H2O]
Calculating EquilibriumConstants
When the following reaction,
              H2(g)   + I2(g)  2HI(g)
reaches equilibrium, the concentrations are:
H 1.2 mol/L, I2 1.2 mol/L, and HI 0.35 mol/L.
What is the Kc?
STEP 1   Write the Kc expression
   Kc  =    [HI]2
               [H2][I2]
STEP 2  Substitute equilibrium concentrations.
  (0.35)2      =      8.5 x 10-2
              (1.2)(1.2)
Reaching Chemical Equilibrium
A container filled with SO2 and Oor only SO3,
Eventually contains mostly SO3 and small amountsof O2 and SO3.
Reaches equilibrium in both situations.
Equilibrium Can Favor Product
If equilibrium is reached after most of the forward
reaction has occurred,
The system favors the product.
Equilibrium with a Large Kc
At equilibrium,
A reaction with a large Kc produces a large amount ofproduct. Very little of the reactants remain.
Kc=[NCl3]2  =  3.2 x 1011
 [N2][Cl2]3
A large Kfavors the products.
          N2(g)  + 3Cl2(g)              2NCl3(g)
When this reaction reaches equilibrium, it will  essentiallyconsist of the product NCl3.
Equilibrium Can Favor Reactant
If equilibrium is reached when very little of theforward reaction has occurred,
The reaction favors the reactants.
Equilibrium with a Small Kc
At equilibrium,
A reaction that produces only a small amount of producthas a small Kc.
Kc =     [NO]2        =2.3 x 10-9
    [N2] [O2]
A small Kfavors the reactants.
N2(g)  +  O2(g)              2NO(g)
Learning Check
For each Kc, indicate whether the reaction at equilibrium
contains mostly:  (1) reactants  or  (2) products
__A.  H2(g)  +  F2(g)       2HF(g)
          Kc = 1 x 1095
__B.   3O2(g)               2O3(g)
          Kc = 1.8 x 10-7
Using Kc to Solve for EquilibriumConcentration
At equilibrium, the reaction PCl5(g)          PCl3(g) +  Cl2(g)
has a Kc of 4.2 x 10-2 and contains [PCl3] = [Cl2] = 0.10 M.
What is the equilibrium concentration of PCl5?
 
LeChâtelier’s Principle
LeChâtelier’s principle states that:
Any change in equilibrium conditionsupsets the equilibrium of the system.
A system at equilibrium under stress willshift to relieve the stress.
There will be a change in the rate of theforward or  reverse reaction to returnthe system to equilibrium.
Summary of Changes onEquilibrium
 
Condition Changes andEquilibrium
X
X
Learning Check
Indicate if each change on a reaction at equilibrium shifts
2NO2( g)  +  heat 2NO(g) + O2(g)
1) toward products2)  toward reactants
3) no change
A.  Adding NO
B.  Adding N2
C.  Raising the temperature
D.  Removing O2
E.  Increasing the volume
Saturated Solution
A saturated solution:
Contains the maximum amount of dissolvedsolute.
Contains solid solute.
Is an equilibrium system.
rate of dissolving = rate of recrystallization
       solidions in solution
Solubility Product Constant
The solubility product for a saturated solution:
Gives the ion concentrations, which are constant atconstant temperature.
Is expressed as a Ksp.
Does not include the solid, which is constant.
With Fe(OH)2(s)          Fe2+(aq)  + 2OH(aq)
IsKsp   = [Fe2+] [OH]2
Learning Check
Write the Ksp expression for each of thefollowing:
A.   FeS(s)
B.  Ag2CO3(s)
Calculating Solubility ProductConstant
Calculate the Ksp of PbSOwith a solubility of 1.4 x 10-4 M.
STEP 1
PbSO4(s)          Pb2+(aq) + SO42(aq)
STEP 2
Ksp =  [Pb2+][SO42]
STEP 3
  = (1.4 x 10-4) x (1.4 x 10-4)
  =  2.0 x 10-8
 
Solubility Product Constant