Kemisk ligevægt: Dynamik og påvirkning af eksterne faktorer

DELTE2.
EMNE4. Kemisk ligevægt.
Når en kemisk reaktion forløber, opnås der efter et stykke tid en ligevægtstilstand (kemisk ligevægt). Ordet "ligevægt" betyder en tilstand, hvor alle modsat rettede påvirkninger på systemet er afbalancerede. Et legeme, der befinder sig i en stabil ligevægtstilstand, viser evnen til at vende tilbage til denne tilstand efter en forstyrrende påvirkning.

Reaktioner, der forløber fra venstre mod højre, kaldes fremadgående, og dem der forløber fra højre mod venstre, kaldes bagudgående.
Det skal understreges, at et reaktionssystem forbliver i dynamisk ligevægt, så længe systemet forbliver isoleret. En isoleret system er et, der ikke udveksler hverken stof eller energi med omgivelserne.
Ligevægtstilstanden for reversible processer karakteriseres kvantitativt ved ligevægtskonstanten. For en reversibel reaktion af den generelle form
k1 aA + bB ⇌ cC + dD (1.2.1)
k2
kan ligevægtskonstanten K, som er forholdet mellem de fremadgående og bagudgående reaktionshastighedskonstanter, skrives som (1.2.2)
hvor Kc er hastighedskonstanten for reaktionen, som afhænger af koncentrationen af de reagerende komponenter; C i eller [ i ] er den ligevægtsmæssige molære koncentration af komponenten i; a, b, c, d er de stoikiometriske koefficienter for stofferne.
I højre side af ligningen (1.2.2) er koncentrationerne af de interagerende partikler, som bestemmes ved ligevægt – de ligevægtsmæssige koncentrationer.
Ligningen (1.2.2) repræsenterer den matematiske udtryk for loven om de aktive masser ved kemisk ligevægt. For reaktioner med gasser udtrykkes ligevægtskonstanten ved hjælp af partialtryk, ikke ved deres ligevægtsmæssige koncentrationer. I dette tilfælde angives ligevægtskonstanten med symbolet Kr.
Ri er det ligevægtspartialtryk for komponent i.
Ci er den ligevægtsmæssige molære koncentration af komponenterne.
a, b, c, d er de stoikiometriske koefficienter for stofferne.
Kemisk ligevægtstilstand kan teoretisk opretholdes uendeligt, under konstante ydre forhold. I virkeligheden, dvs. ved ændringer i temperatur, tryk eller koncentration af reaktanter, kan ligevægten "flytte sig" i den ene eller den anden retning.
Ændringer i systemet som følge af eksterne påvirkninger bestemmes af princippet om bevægelig ligevægt – Le Chateliers princip. Når et eksternt faktors indflydelse på et ligevægtssystem opstår, flytter ligevægten sig i en retning, der mindsker virkningen af denne faktor.

1. Påvirkning af tryk på kemisk ligevægt (for reaktioner, der foregår i gasfase).
   aA + bB ⇌ cC + dD

• Hvis reaktionen medfører en stigning i antallet af komponenter a + b < c + d, vil en stigning i trykket forskyde ligevægten mod højre.

• Hvis reaktionen medfører et fald i antallet af komponenter a + b > c + d, vil en stigning i trykket forskyde ligevægten mod venstre.

• Hvis antallet af komponenter er det samme a + b = c + d, vil ændring af trykket ikke påvirke ligevægtens position.

2. Påvirkning af en inert gas. Indførelsen af en inert gas har en effekt svarende til trykforøgelse (Ar, N2, vanddamp). En inert gas deltager ikke i reaktionen.

3. Påvirkning af ændringer i koncentrationen af reagerende stoffer. Når der tilføjes ekstra mængde stof, vil ligevægten for kemisk reaktion forskyde sig i den retning, hvor koncentrationen af stoffet falder.

4. Påvirkning af temperatur på kemisk ligevægt.
   

   Hvis varme tilføres et ligevægtssystem, vil systemet ændre sig for at modvirke denne påvirkning, dvs. processer med varmeabsorption. Ved eksoterme reaktioner vil et temperaturfald forskyde ligevægten mod højre, og ved endoterme reaktioner vil en temperaturstigning forskyde ligevægten mod venstre.
   
   Afhængighed af Kr fra temperaturen – Van't Hoff ligningen.
   (); lnkT 1 – lnkT 2 =
   Eksempler på opgaveløsning

5. Reaktionen mellem nitrogen og brint er reversibel og forløber i henhold til ligningen
   N2 + 3H2 ⇌ 2NH3. Ved ligevægt var koncentrationerne af de deltagende stoffer: [N2] = 0,1 mol/l, [H2] = 2,0 mol/l, [NH3] = 0,40 mol/l. Beregn ligevægtskonstanten og de oprindelige koncentrationer af nitrogen og brint.
   Løsning:
   For den givne reaktion
   Indsæt ligevægtskoncentrationerne og få = 2
   Ifølge reaktionsligningen får vi 2 mol ammoniak ud af 1 mol nitrogen og 3 mol brint, så 0,4 mol ammoniak kræver 0,2 mol nitrogen og 0,6 mol brint. Derfor vil de oprindelige koncentrationer være [N2] = 0,01 mol/l + 0,2 mol/l = 0,21 mol/l,
   [H2] = 2,0 mol/l + 0,6 mol/l = 2,6 mol/l.
   Svar: Kr = 2; C0 (N2) = 0,21 mol/l og C0 (H2) = 2,6 mol/l.

6. Én mol af en propan- og brintblanding, der har en brintdensitet på 15, opvarmes i en forseglet beholder med en platin-katalysator ved 320°C, og trykket i beholderen falder med 25%. Beregn udbyttet af reaktionen i procent af det teoretiske. Hvor mange procent vil trykket falde, hvis vi bruger 1 mol af en blanding af de samme gasser, men med en brintdensitet på 16?
   Løsning:
   C3H6 + H2 → C3H8

1. Lad ν(C3H6) = x, ν(H2) = 1-x, så massen af blandingen er 42x + 2(1 - x) = 2 • 15 = 30,
   derfra x = 0,7 mol, dvs. ν(C3H6) = 0,7 mol, ν(H2) = 0,3 mol.
   Trykket faldt med 25% ved uændrede temperatur- og volumenforhold som følge af et fald på 25% i antallet af mol i reaktionen. Lad y mol H2 deltage i reaktionen, så efter reaktionen er: ν(C3H6) = 0,7 - y, ν(H2) = 0,3 - y, ν(C3H8) = y,
   νtotal = 0,75 = (0,7 - y) + (0,3 - y) + y, derfra y = 0,25 mol.
   Teoretisk kunne der dannes 0,3 mol C3H8 (H2 er i overskud), så udbyttet er . Ligevægtskonstanten ved disse forhold er

2. Lad i andet tilfælde ν(C3H6) = a mol, ν(H2) = (1 – a) mol, så massen af blandingen er 42a + 2(1 - a) = 2 • 16 = 32, derfra a = 0,75, dvs. ν(C3H6) = 0,75, ν(H2) = 0,25. Lad b mol H2 deltage i reaktionen. Dette tal kan findes ved at bevare ligevægtskonstanten.
   Af de to løsninger på det kvadratiske ligning vælger vi den, der tilfredsstiller betingelsen 0 < b < 0,25, dvs. b = 0,214 mol.
   Det samlede antal mol efter reaktionen er
   νtotal = ((0,75 - 0,214) + (0,25 - 0,214) + 0,214 - 0,786) mol, dvs. det er faldet med 21,4% i forhold til det oprindelige antal (1 mol). Trykket er proportionalt med antallet af mol, så det falder også med 21,4%.
   Svar: Udbytte af C3H8 = 83,3%; trykket vil falde med 21,4%.

Opgaver til selvstændig løsning

1. I reaktionen mellem glødende jern og damp
   3Fe(s) + 4H2O(g) ⇌ Fe3O4(s) + 4H2(g), ved ligevægt er partialtrykkene af brint og damp henholdsvis 3,2 og 2,4 kPa. Beregn ligevægtskonstanten.

2. Beregn ligevægtskonstanterne Kr og Ks for gasreaktionen
   CO + Cl2 ⇌ COCl2, hvor sammensætningen af gasblandingen ved ligevægt var følgende (% volumen): CO = 2,4, Cl2 = 12,6, COCl2 = 85,0, og det samlede tryk ved 20°C var 1,033*105 Pa. Beregn ΔG for reaktionen.

3. Beregn ligevægtskonstanten for den reversibel reaktion
   CO + H2 ⇌ CO2 + H2, når koncentrationerne ved ligevægt var [CO] = 0,16 mol/l, [H2O] = 0,32 mol/l, [CO2] = 0,32 mol/l, [H2] = 0,32 mol/l.

4. I en stålbeholder er der calciumcarbonat og luft ved et tryk på 1 atm. ved 27°C. Beholderen opvarmes til 800°C og afventer ligevægt. Beregn ligevægtskonstanten Kr for reaktionen
   CaCO3 ⇌ CaO + CO2 ved 800°C, hvis det ligevægtsmæssige tryk af gassen i beholderen ved denne temperatur er 3,82 atm, og ved 27°C nedbrydes CaCO3 ikke.

5. Ved konstant temperatur er der opnået ligevægt i et homogent system A + B ⇌ 2C med ligevægt koncentrationer [A] = 0,8 mol/l, [B] = 0,6 mol/l, [C] = 1,2 mol/l. Bestem de nye ligevægtskoncentrationer, hvis systemet også indeholder 0,6 mol/l af stof B.

6. Hvordan kan de optimale betingelser for industriel syntese af ammoniak med højt udbytte forklares på baggrund af den termokemiske reaktionsligning
   N2 + 3H2 ⇌ 2NH3 + 491,8 kJ og under hensyntagen til, at reaktionshastigheden er meget lille ved lave temperaturer?

7. Beregn ligevægtskonstanten for den følgende reaktion, som forløber ved standardbetingelser og ved 400K.
   a) Na2O(s) + CO2(g) → Na2CO3(s)
   b) N2O4(g) ⇌ 2NO2(g)

8. Reaktionsligningen for oxidation af hydrogenchlorid
   4HCl(g) + O2(g) ⇌ 2H2O(g) + 2Cl2(g). Beregn ligevægtskonstanten ved T = 500K. Forslå metoder til at øge koncentrationen af klor i ligevægtblandingen.

9. Ved at blande 2 mol eddikesyre og 2 mol ethanol opnås reaktionen
   CH3COOH + C2H5OH ⇌ CH3COOC2H5 + H2O. Ved ligevægt var 0,5 mol CH3COOH og C2H5OH tilbage, samt en vis mængde ether og vand. Bestem sammensætningen af ligevægtblandingen, når der blandes 3 mol CH3COOH og C2H5OH ved samme temperatur.

10. Beregn de oprindelige koncentrationer af stofferne i den reversible reaktion
    2CO + O2 ⇌ 2CO2 og ligevægtskonstanten, når de ligevægtmæssige koncentrationer var [CO] = 0,44 mol/l, [O2] = 0,12 mol/l, [CO2] = 0,18 mol/l.