Jämviktsreaktioner och kemisk jämvikt. Niklas Dahrén

Transkript

1 Jämviktsreaktiner ch kemisk jämvikt Niklas Dahrén

2 De flesta kemiska reaktiner kan gå i båda riktningarna Vi är vana att rita kemiska reaktiner på följande sätt: H 2 + I 2 2HI Men de flesta reaktiner kan faktiskt gå i båda riktningarna: H 2 + I 2 2HI Även m en reaktin kan gå i båda riktningarna så kan den ha lättare att gå i den ena riktningen.

3 Vad innebär en jämviktsreaktin ch vad innebär kemisk jämvikt? Jämviktsreaktin ch kemisk jämvikt: En jämviktsreaktin är en reaktin sm kan gå i båda riktningarna (reversibel reaktin) ch sm går lika frt åt båda hållen efter att jämvikt har ställt in sig. Med lika frt menas att kncentratinen av de ingående ämnena inte längre förändras. Kncentratinerna behöver dck inte vara lika str på båda sidr vid jämvikt. A + B C + D Höger- eller vänsterförskjuten: I början av en kemisk reaktin (innan jämvikt har nåtts) är reaktinen alltid förskjuten åt antingen vänster eller höger. Det betyder att reaktinen går frtast åt antingen vänster eller höger. Anledningen kan vara; att kncentratinen är högre av de ämnen sm är på den ena sidan jämfört med den andra sidan (eller att det inte finns någnting alls av ämnena på den ena sidan) ch därför har de lättare att reagera med varandra. att vissa ämnen (p.g.a. struktur ch kemiska egenskaper) har lättare att reagera med varandra.

4 En jämviktsreaktin steg för steg A B A B A B B A B A A C B A B D C C D A B B A D C B C D C D D A Obs: Vid jämvikt behöver inte knc. av ämnena vara lika höga. A + B A + B C + D A + B C + D A + B C + D Vi tillsätter ämne A ch B i en bägare med vatten. Ämnena A ch B börjar krcka med varandra. Ämnena C ch D börjar bildas. Reaktinen kan bara gå åt höger eftersm det till en början inte finns någt av ämnena C ch D. Nu börjar det bli tillräckligt med C ch D, vilket innebär att de ckså börjar krcka med varandra ch bilda ämnena A ch B. Ämne C ch D har dck (i det här exemplet) svårare att reagera med varandra än vad ämne A ch B har. Det krävs därför en ganska str kncentratin av ämne C ch D innan reaktinen börjar ta fart åt vänster. Efter ett tag har det bildats så mycket av ämne C ch D att reaktinen åt vänster ckså har fått upp farten. Nu sker inte längre någn förändring av de lika ämnenas kncentratiner eftersm reaktinen åt vänster går lika frt sm reaktinen åt höger (det krävdes dck en större knc. av C ch D innan reaktinerna fick samma hastighet). Kemisk jämvikt har nåtts. A + B C + D

5 Vad innebär jämviktsknstanten? Jämviktsknstanten: Vid jämvikt har reaktinen stabiliserats ch vi har fått en bestämd kncentratin av de ingående ämnena. Om vi tar kncentratinerna av ämnena till höger ch delar med kncentratinerna av ämnena till vänster kmmer vi få ut en kvt mellan ämnena på höger ch vänster sida. Denna kvt kallas för jämviktsknstanten K. K visar alltså kncentratinsförhållandet mellan höger ch vänster sida vid jämvikt. Vad innebär en hög jämviktsknstant?: Om K är högt innebär det alltså att vi vid jämvikt har mycket av ämnena till höger ch lite av ämnena till vänster. Ett högt K-värde avslöjar därför att ämnena till vänster har lättare att reagera med varandra än vad ämnena till höger har. Reaktinen går därför i början mest åt höger (innan jämvikten ställer in sig). Reaktinen eller jämviktsläget är alltså förskjutet åt höger (högerförskjuten reaktin). Vi får därför en högre kncentratin till höger jämfört med till vänster vid jämvikt ch därför blir värdet på K högt.

6 Uppgift 1: Betrakta följande jämviktsreaktin: H 2 + I 2 2HI a) Teckna jämviktsekvatinen för reaktinen b) Vad betyder egentligen ett högt värde på K? Lösning: a) Ämnena i högra ledet skrivs längst upp Antalet av varje ämne skrivs sm en upphöjd siffra Ämnena i vänstra ledet skrivs längst ned b) Att vi vid jämvikt har hög kncentratin av ämnet i det högra ledet (HI) ch låg kncentratin av ämnena i det vänstra ledet (H 2 ch I 2 ). Ämnena till vänster har alltså lätt för att reagera med varandra ch därför bildas det mycket av ämnet till höger. Man säger att reaktinen är högerförskjuten (att den innan jämvikt går mest åt höger).

7 Uppgift 2: Fsgen är en trevlig gas sm har använts sm stridsgas. Den kan framställas genm att man låter klmnxid reagera med klrgas: CO(g) + Cl 2 (g) COCl 2 (g). Vi har en behållare på 10,0 dm 3. Vid jämvikt har vi 0,28 ml CO, 0,21 ml Cl 2 ch 0,81 ml COCl 2. Vilket är värdet på K? Lösning: 1. Ställ upp jämviktsekvatinen. 2. Gör en tabell sm visar vad vi vet ch vad vi ska räkna ut. 3. Sätt in kncentratinerna i jämviktsekvatinen ch räkna ut K Substansmängden (n): Vlymen (v): Kncentratinen (c): c= n/v CO(g) Cl 2 (g) COCl 2 (g) 0,28 ml 0,21 ml 0,81 ml 10,0 dm 3 10,0 dm 3 10,0 dm 3 0,28/10,0= 0,21/10,0= 0,81/10,0= 0,028 ml/dm 3 0,021 ml/dm 3 0,081 ml/dm 3

8 Jämviktsknstanten kan ha lika enheter Jämviktsknstanten K visar alltså kncentratinsförhållandet mellan höger ch vänster sida vid jämvikt. Kncentratinen mäts vanligtvis i enheten mlar (M) sm är samma sak sm ml/dm 3. Enheten för K är dck inte alltid M utan kan även betecknas t.ex. M -2, M -1 eller t..m. vara enhetslös. Vi tar jämviktsekvatinen från föregående uppgift sm exempel: M M * M = M 1 M 2 = M 1-2 = M -1

9 Uppgift 3: Vilken enhet har jämviktsknstanten i följande jämviktsreaktin; 2NH 3 N 2 + 3H 2 Lösning: 1. Ställ upp jämviktsekvatinen: 2. Räkna ut jämviktsknstantens enhet: Svar: Enheten är M 2 M * M 3 M 4 M 2 = = M 4-2 = M 2 M 2

10 Uppgift 4: Klmnxid kan reagera med vatten vid en viss temperatur. Då bildas kldixid ch vätgas enligt följande frmel: CO(g) + H 2 O(g) CO 2 (g) + H 2 (g). För den här reaktinen är jämviktsknstanten K = 5,0. Vid jämvikt hade man 0,060 ml kldixid, 0,030 ml vatten ch 0,090 ml vätgas i ett kärl med vlymen är 1,00 dm 3. Vilken var halten klmnxid? Lösning: Ställ upp jämviktsekvatinen. 2. Gör en tabell sm visar vad vi vet ch vad vi ska räkna ut. 3. Sätt in K ch de kända kncentratinerna i jämviktsekvatinen. Räkna ut den kända kncentratinen. 2. Substansmängden (n) vid jämvikt: Vlymen (v): Kncentratinen (c) vid jämvikt: c= n/v CO? 2SO 3 Cl 2 (g) 2SO 2 O 2 COCl 2 (g) H 2 O CO 2 H 2 0,030 ml 0,060 ml 0,090 ml 1,00 dm 3 1,00 dm 3 1,00 dm 3 1,00 dm 3? 0,030/1,00= 0,030 ml/dm 3 0,060/1,0 0= 0,060 ml/dm 3 0,090/1,00= 0,090 ml/dm 3 3.

11 Hur påverkas en jämviktsreaktin av lika faktrer? Exempel på faktrer sm kan påverka en jämnviktsreaktin: Kncentratinen av de ingående ämnena. Temperaturen sm reaktinen sker vid. Trycket. Katalysatrer (t.ex. enzymer). Om man förändrar någt i ett jämnviktssystem förskjuts jämnvikten på ett sådant sätt att förändringen mtverkas: Om kncentratinen av ämnena till vänster ökar kmmer reaktinen förskjutas åt höger så att kncentratinsskillnaden avtar. Om det mgivande trycket ökar (t.ex. genm att vlymen av reaktinskärlet sm ämnena befinner sig i minskar) kmmer jämviktsreaktinen förskjutas åt det håll sm leder till att tryckökningen mtverkas (så att det bildas färre antal partiklar). Om den mgivande temperaturen ökar kmmer jämviktsreaktinen förskjutas åt det håll sm leder till att temperaturökningen mtverkas (åt det endterma hållet ). Om ett enzym tillsätts kmmer reaktinen förskjutas åt det håll sm enzymet kan katalysera.

12 Uppgift 5: Hur påverkas nedanstående jämviktsreaktin av en ökad kncentratin av N 2? N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH kj Reaktinen/jämviktsläget förskjuts åt höger Lösning: Om kncentratinen av ett ämne ökar på den vänstra sidan kmmer det innebära att jämviktsläget förskjuts åt höger (ch tvärtm m kncentratinen hade ökat på högra sidan). Mer N 2 på den vänstra sidan innebär att det kmmer ske fler krckar med H 2 per tidsenhet ch därmed fler reaktiner mellan dessa så att mer NH 3 bildas.

13 Uppgift 6: Hur påverkas nedanstående jämviktsreaktin m vi minskar vlymen av reaktinskärlet ch därmed ökar trycket? N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH kj 4 partiklar 2 partiklar Reaktinen/jämviktsläget förskjuts åt höger Lösning: Om man förändrar trycket i ett jämnviktssystem förskjuts jämnvikten på ett sådant sätt att tryckförändringen mtverkas. Om vlymen minskar, blir det trängre i reaktinskärlet, vilket leder till fler krckar mellan mlekylerna. Jämviktsläget kmmer därför förskjutas åt höger eftersm det innebär att det blir färre partiklar i reaktinskärlet. Färre partiklar= lägre tryck.

14 Uppgift 7: Hur påverkas nedanstående jämviktsreaktin av ökad temperatur? N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH kj Lösning: Reaktinen/jämviktsläget förskjuts åt vänster Om reaktinen går åt höger frisätts värmeenergi. Reaktinen åt höger är alltså en exterm reaktin. Exterma reaktiner kan ske även vid låga temperaturer. Reaktinen åt vänster är däremt en endterm reaktin. För att reaktinen ska kunna gå åt vänster krävs det tillförsel av relativt mycket energi (värme). Reaktinen åt vänster är därför en endterm reaktin. Endterma reaktiner sker inte särskilt lätt vid låga temperaturer men gynnas däremt kraftigt vid höga temperaturer. Vid en hög temperatur kmmer därför jämviktsläget vara förskjutet åt vänster. När reaktinen går åt vänster kmmer värme tas upp från mgivningen vilket kmmer mtverka temperaturhöjningen.

15 Enzymer underlättar kemiska reaktiner Tillräckligt hög aktiveringsenergi krävs för att en reaktin ska kunna ske: För att en reaktin ska kunna ske mellan 2 reaktanter krävs att reaktanterna har tillräckligt hög energi (hastighet) vid krcken. Annars kmmer inte de gamla bindningarna kunna brytas. Detta kallas för aktiveringsenergi. Vid hög mgivande temperatur har reaktanterna tillräckligt hög aktiveringsenergi för att reaktinen ska kunna ske. Enzymer underlättar kemiska reaktiner: Enzymer binder sina reaktanter på ett specifikt sätt vilket dels innebär att de gamla bindningarna i reaktanterna försvagas ch att reaktanterna krckar med varandra på ett ptimalt sätt (i rätt vinkel). Reaktanterna kan då reagera med varandra på ett lättare sätt ch utan att de behöver ha så hög aktiveringsenergi. Enzymer sänker alltså den aktiveringsenergi sm krävs för en viss reaktin. Jämvikt nås snabbare men jämviktknstanten påverkas ej: Vid en viss given temperatur kmmer enzymer påverka en viss reaktin så att jämvikt nås snabbare. Men förhållandet mellan de lika ämnena ch därmed jämviktsknstanten påverkas ej. Bildkälla: By Fvascncells (talk cntribs) (language mdified by Natx (talk cntribs)) (File:Carbnic anhydrase reactin in tissue.svg) [CC-BY-SA-3.0 ( via Wikimedia Cmmns

16 Se gärna fler filmer av Niklas Dahrén: