4. Kemisk jämvikt när motsatta reaktioner balanserar varandra

Transkript

1 4. Kemisk jämvikt när motsatta reaktioner balanserar varandra 4.1. Skriv fullständiga formler för följande reaktioner som kan gå i båda riktningarna (alla ämnen är i gasform): a) Kolmonoxid + kvävedioxid koldioxid + kvävemonoxid b) Dikvävepentoxid syre + kvävedioxid 4.2. a) En blandning av svaveldioxid och syre upphettas i en sluten behållare. Man kan konstatera att i början reagerar ämnena med varandra, men efter en tid ändras inte reaktionskomponenternas koncentrationer. Beskriv kort det system som då finns i behållaren. b) Vad menas med att en kemisk jämvikt är dynamisk? 4.3. Ett kemiskt system befinner sig i jämvikt. a) Vilket samband råder då mellan hastigheterna för reaktionen åt höger och reaktionen åt vänster? b) Vad gäller om koncentrationerna av de i jämvikten deltagande ämnena? 4.4. Ställ upp jämviktsekvationerna för reaktionerna i uppgift 4.1. Ange också enhet för konstanten K I jämvikten pa + qb rc + sd är samtliga reaktionskomponenter gasformiga. Ställ upp jämviktsekvationen Ammoniakjämvikten N 2 (g) + 3 (g) 2NH 3 (g) har ställt in sig vid 400 o C. Jämviktsblandningen innehåller 0 mol kvävgas, 0 mol vätgas och 0,070 mol ammoniak per dm 3. Beräkna jämviktskonstanten När jämvikt ställt in sig i systemet PCl 5 (g) PCl 3 (g) + Cl 2 (g) innehåller en 3,0 dm 3 behållare 13,8 g fosfortriklorid, 2,98 g klorgas och 5,00 g fosforpentaklorid. Beräkna jämviktskonstanten vid den rådande temperaturen Jämviktskonstanten för reaktionen (g) + (g) 2(g) är 50,0 vid 450 o C. Beräkna substansmängden vätejodid som är i jämvikt med 1,76 mol vätgas och 0,0200 mol jodgas vid 450 o C För jämvikten 2SO 2 (g) + O 2 (g) 2SO 3 (g) är jämviktskonstanten 4, (mol/dm 3 ) 1 vid en viss temperatur. Vilken koncentration har svaveldioxiden vid jämvikt om koncentrationen av syrgas då är 8, mol/dm 3 och av svaveltrioxid 4, mol/dm 3? För reaktionen SO 2 (g) + NO 2 (g) SO 3 (g) + NO(g) är jämviktskonstanten 9,0 vid 700 o C. Man förde in 3, mol svaveldioxid och 3, mol kvävedioxid i en behållare på 1,00 dm 3. Därefter fick jämvikt ställa in sig vid 700 o C. Vilken var substansmängden svaveltrioxid vid jämvikt? I läroboken sidan 44 infördes storheten Q, koncentrationskvoten, och begreppet nettoreaktion. a) Definiera storheten Q. b) Vad menas med nettoreaktionen? c) Redogör för sambandet mellan Q, K och nettoreaktionen För jämvikten (g) + (g) 2(g) är K = 54 vid 425 o C. Man för in de tre gaserna var för sig i en tom behållare så att [ ] = [ ] = [] = 1, mol/dm 3. Temperaturen är 425 o C. a) Vilket är värdet på koncentrationskvoten Q? b) Är systemet i jämvikt vid de angivna koncentrationerna? Om inte, åt vilket håll går nettoreaktionen? Kväve och syre kan vid hög temperatur bilda bl.a. kvävemonoxid, NO. För jämvikten N 2 (g) + O 2 (g) 2NO(g) är K = 0 vid o C. Undersök om det råder jämvikt i följande blandningar som alla har volymen 2,9 dm 3. Ange också åt vilket håll nettoreaktionen går om det inte är jämvikt i systemet. a) 5 mol N 2, 0,05 mol O 2 och 0 mol NO b) 0 mol N 2, 0,0025 mol O 2 och 0,010 mol NO c) 0 mol N 2 och 0 mol NO Liber AB. Denna sida får kopieras. 9

2 4.14. Vattenånga reagerar med kolmonoxid under bildning av vätgas och koldioxid enligt reaktionsformeln O(g) + CO(g) (g) + CO 2 (g) 5,0 mol vattenånga och 4,0 mol kolmonoxid infördes i ett tomt reaktionskärl med volymen 5,0 dm 3. Blandningen upphettades till o C som hölls konstant tills ämnenas koncentrationer inte längre ändrade sig. Då visade det sig att substansmängden koldioxid var 2,0 mol. Beräkna a) substansmängden vätgas vid jämvikt b) substansmängden vattenånga vid jämvikt c) jämviktskonstanten Väte och kväve bildar ammoniak enligt reaktionsformeln N 2 (g) + 3 (g) 2NH 3 (g) 0 mol av var och en av de tre gaserna blandas i en behållare på 1,0 dm 3. Vid jämvikt har 0 mol ammoniak sönderdelats. Beräkna a) substansmängderna av alla tre komponenterna vid jämvikt b) koncentrationerna vid jämvikt c) jämviktskonstanten En blandning av 10 mol kväve och 0,780 mol syre upphettades till K. Följande jämvikt ställde då in sig: N 2 (g) + O 2 (g) 2NO(g) Vid jämvikt hade det bildats 0,074 mol kvävemonoxid. Beräkna jämviktskonstanten vid nämnda temperatur Jämviktskonstanten för den s.k. vattengasjämvikten CO 2 (g) + (g) CO(g) + O(g) är 3 vid 700 o C. Man utgår från 18 kg vattenånga och 28 kg kolmonoxid. Beräkna massan vätgas som bildats när jämvikt ställt in sig i systemet vid 700 o C * När väte och jod upphettas till konstant temperatur i ett kärl ställer följande jämvikt in sig: (g) + (g) 2(g) Vid ett försök utgick man från 2,00 mol och 1,00 mol. Vid jämvikt innehöll systemet 1,66 mol. Beräkna substansmängden som skulle ha bildats under i övrigt samma betingelser om man utgått från 2,00 mol och 2,00 mol Man studerar jämvikten (g) + Cl 2 (g) 2HCl(g) H = 184 kj för reaktionen åt höger. Hur förskjuts jämvikten om man a) ökar HCl-koncentrationen b) ökar -koncentrationen c) ökar Cl 2 -koncentrationen d) höjer temperaturen e) ökar trycket genom att minska volymen? Följande system är i jämvikt. Samtliga komponenter är i gasform. pa + qb rc + sd a) Hur ska man ändra koncentrationen av ämnet B om man vill att mer av ämnet A ska reagera? b) Reaktionen från vänster till höger är exoterm. Hur påverkar en temperaturhöjning värdet på jämviktskonstanten? c) Totaltrycket ökas genom att behållarens volym minskas. Vad måste man veta om koefficienterna p, q, r och s för att kunna förutsäga hur denna ändring inverkar på utbytet av ämnena C och D? För systemet 4NH 3 (g) + 5O 2 (g) 4NO(g) + 6 O(g) är reaktionen åt höger exoterm. Jämvikten får ställa in sig vid o C. Därefter ändras temperaturen och jämvikten får ställa in sig vid en temperatur något över o C. Ange om jämviktskonstanten då är mindre än, större än eller lika med K vid o C Fosforpentaklorid, PCl 5, sönderdelas vid upphettning enligt formeln PCl 5 (g) PCl 3 (g) + Cl 2 (g) H = 93 kj för reaktionen åt höger. Man förde in 6,0 mol fosforpentaklorid i ett tomt reaktionskärl med volymen 10,0 dm 3. Temperaturen hölls vid 230 o C. När jämvikt ställt in sig i systemet visade en analys att det fanns 1,0 mol klorgas i behållaren. a) Beräkna koncentrationerna av samtliga tre ämnen vid jämvikt. b) Beräkna jämviktskonstanten vid 230 o C. c) Man vill förskjuta jämvikten så att mer PCl 5 sönderdelas till PCl 3. På vilket/vilka av följande sätt kan man åstadkomma detta? Genom att 1. minska volymen och därigenom höja trycket vid konstant temperatur 2. öka volymen och därigenom sänka trycket vid konstant temperatur 3. pressa in mer klor i systemet 4. höja temperaturen vid konstant tryck. Liber AB. Denna sida får kopieras. 10

3 4.23. Ammoniak bildas av grundämnena enligt följande formel: N 2 (g) + 3 (g) 2NH 3 (g) H = 92 kj för reaktionen åt höger. Hur ska man välja tryck och temperatur för att få största möjliga utbyte av ammoniak? Motivera svaret Uppgifterna hänför sig till följande försök. I en evakuerad kolv på 1,0 dm 3 införs 0 mol vätgas och 0 mol jod. Blandningen värms till K. Då reagerar de båda ämnena med varandra i en exoterm reaktion och systemet går till jämvikt enligt formeln (g) + (g) 2(g) + 12,5 kj Jämvikten får ställa in sig vid temperaturen T 1 (= K) och trycket p 1. Graferna i diagrammet nedan visar hur koncentrationerna ändrades då jämvikten ställde in sig Om man sätter en katalysator till jämviktsblandningen inträffar alla nedan angivna förändringar utom en. Vilken förändring inträffar inte? a) Värdet på jämviktskonstanten ökar. b) Det uppträder ett eller flera aktiverade komplex som inte bildas i de icke-katalyserade reaktionerna. c) De båda reaktionerna följer en ny reaktionsväg med lägre aktiveringsenergi. d) Reaktionshastigheten ökar för såväl reaktionen åt höger som för reaktionen åt vänster Sedan jämvikt ställt in sig gör man vissa förändringar i systemet. Förändringarna beskrivs i följande uppgifter. Identifiera i diagrammen A, B, C, D och E den effekt som varje förändring leder till. A B Vilket av följande uttryck är jämviktsekvationen med de i diagrammet angivna koncentrationerna? 3 mol/dm a) (5 mol/dm ) (0,05 mol/dm ) b) c) 5 mol/dm 0,05 mol/dm 3 mol/dm 3 2 ( mol/dm ) mol/dm mol/dm C d) e) 3 5 mol/dm 0,05 mol/dm 0,05 mol/dm 3 2 ( mol/dm ) 5 mol/dm 0,05 mol/dm Liber AB. Denna sida får kopieras. 11

4 D Diagrammet nedan visar hur energiändringarna när ett system (en reaktionsblandning) A förändras och bildar ett nytt system D. Övergången från system A till system D kan ske genom två olika reaktionsvägar kj Energi 300 Reaktionsväg I E II X B Y Z Reaktionsväg II 0 A C D 4.26.* Man pressar in vätgas i systemet. Effekten på systemets jämviktskoncentrationer representeras bäst av diagram 4.27.* Temperaturen höjs till T 2 utan att volymen ändras. Effekten på systemets jämviktskoncentrationer representeras bäst av diagram 4.28.* Det totala trycket ökas genom att heliumgas pressas in i jämviktsblandningen. Temperatur och volym hålls hela tiden konstanta. Effekten på systemets jämviktskoncentrationer representeras bäst av diagram Man kan låta en reaktion gå till jämvikt utan eller med katalysator. Förhållandena (temperatur, tryck, begynnelsekoncentrationer osv.) är i övrigt desamma. Vilken blir skillnaden mellan de båda alternativen? Ändras jämviktsläget? Man vet att ett visst ämne katalyserar reaktionen A + B C + D Kan man härav dra någon slutsats om ämnets inverkan på reaktionen C + D A + B? Motivera svaret Hur stor är entalpiändringen, H, för reaktionen A D då den följer reaktionsväg II? a) +50 kj b) 50 kj c) +175 kj d) +200 kj Jämför reaktionsvägarna I och II. Vilket av följande påståenden är felaktigt? a) Reaktionen genom väg II sker troligen långsammare än genom väg I. b) När reaktionen sker genom väg II bildas flera aktiverade komplex. c) Både när reaktionsväg I och när reaktionsväg II används sker reaktion D A samtidigt som reaktion A D. d) Om systemets temperatur höjs kommer jämviktskoncentrationen av D att öka både när reaktionen går väg I och när den går väg II Betrakta reaktionsväg II. Vilket av följande påståenden är felaktigt? a) X, Y och Z representerar tillstånd då aktiverade komplex har bildats. b) Vid jämvikt kommer bl.a. C och D att finnas närvarande. c) B representerar en mellanprodukt. d) Den totala reaktionen A D är exoterm. e) Det långsammaste reaktionssteget är troligen A B. Liber AB. Denna sida får kopieras. 12

5 4.34.* 5,00 mol vattenånga upphettades till en viss temperatur i ett slutet kärl med volymen 2,00 dm 3. Då sönderdelades en del av vattenångan enligt formeln 2 O(g) 2 (g) + O 2 (g) När jämvikt ställt in sig hade 4,0 % av vattnet sönderdelats. Beräkna jämviktskonstanten vid den aktuella temperaturen * Vid upphettning av vattenånga respektive väteklorid till o C ställer följande jämvikter in sig: 2 O(g) 2 (g) + O 2 (g) K = 9, mol/dm 3 2HCl(g) (g) + Cl 2 (g) K = 1, mol/dm 3 Utgå från dessa jämvikter och beräkna jämviktskonstanten för reaktionen 4HCl(g) + O 2 (g) 2 O(g) + 2 Cl 2 (g) vid samma temperatur. Liber AB. Denna sida får kopieras. 13