KJEMISK LIKEVEKT I REAKSJONER

DEL 2.
TEMA 4. Kjemisk likevekt.
Når en kjemisk reaksjon skjer, vil det etter en viss tid oppstå en likevektstilstand (kjemisk likevekt). Ordet "likevekt" refererer til en tilstand hvor alle motstridende påvirkninger på systemet er balanserte. Et legeme som er i en stabil likevektstilstand, har evnen til å vende tilbake til denne tilstanden etter at det har blitt forstyrret på en eller annen måte.

Reaksjoner som skjer fra venstre til høyre kalles direkte, de som skjer fra høyre til venstre kalles bakovergående.
Det er viktig å merke seg at den reaksjonelle systemet forblir i dynamisk likevekt så lenge systemet er isolert. Et isolert system er et som ikke utveksler verken stoff eller energi med omgivelsene.
Kjemisk likevekt for reversible prosesser karakteriseres kvantitativt ved likevektskonstanten. For en generell reversibel reaksjon av typen
k1aA + bB ⇌ cC + dD (1.2.1)
k2
er likevektskonstanten K, som er forholdet mellom hastighetskonstantene for den fremadskridende og bakovergående reaksjonen, gitt ved (1.2.2)
der, Kc – er hastighetskonstanten for reaksjonen, avhengig av konsentrasjonen av de reagerende komponentene; Ci eller [i] – er likevektsmolær konsentrasjon for komponent i;
a, b, c, d – de stoikiometriske koeffisientene for stoffene.
I høyre del av ligningen (1.2.2) står konsentrasjonene av de reagerende partiklene som er i balanse ved likevekt – likevektskonsentrasjonene.
Ligningen (1.2.2) er et matematisk uttrykk for loven om massenes virkning ved kjemisk likevekt. For reaksjoner som involverer gasser uttrykkes likevektskonstanten ved hjelp av partielle trykk, ikke ved deres likevektskonsentrasjoner. I dette tilfellet betegnes likevektskonstanten med symbolet Kp.
Pi – er likevekts partielt trykk for komponent i.
Ci – er likevekts molær konsentrasjon for komponentene.
a, b, c, d – stoikiometriske koeffisienter for stoffene.
Kjemisk likevekt under uendrede ytre forhold kan teoretisk opprettholdes uendelig lenge. I virkeligheten, derimot, kan likevekten «forskyves» i en eller annen retning på grunn av endringer i temperatur, trykk eller konsentrasjon av reaktanter.
Endringer som skjer i systemet som følge av ytre påvirkninger, bestemmes av prinsippet om bevegelig likevekt – Le Chateliers prinsipp. Når et ytre faktoren påvirker et system i likevekt, vil likevekten i systemet forskyve seg i retning som motvirker denne påvirkningen.

1. Effekten av trykk på kjemisk likevekt (for en reaksjon som skjer i gassfase).
   aA + bB ⇌ cC + dD

• Hvis reaksjonen fører til en økning i antall komponenter a + b < c + d, vil en økning i trykket forskyve likevekten fra høyre til venstre.

• Hvis reaksjonen fører til en reduksjon i antall komponenter a + b > c + d, vil en økning i trykket forskyve likevekten fra venstre til høyre.

• Hvis antallet komponenter er likt a + b = c + d, vil trykkforandringer ikke påvirke likevekten.

2. Effekt av inerte gasser. Introduksjon av en inert gass har samme effekt som å redusere trykket (Ar, N2, vanndamp). Den inerte gassen deltar ikke i reaksjonen.

3. Effekt av endring i konsentrasjonen av reagerende stoffer. Når et ekstra stoff tilsettes, vil likevekten i kjemisk reaksjon forskyve seg i retning av at konsentrasjonen av stoffet reduseres.

4. Effekten av temperatur på kjemisk likevekt.
   

   Når varme tilføres et system i likevekt, vil det forekomme endringer i systemet for å motvirke effekten, det vil si prosesser som absorberer varme. For eksoterme reaksjoner vil en temperaturreduksjon forskyve likevekten fra venstre til høyre, mens for endotermiske reaksjoner vil en temperaturøkning forskyve likevekten fra høyre til venstre.
   
   Avhengigheten av Kp fra temperatur – Van't Hoff-ligningen.
   (); ln kT1 – ln kT2 =
   Eksempler på løsning av oppgaver

5. Reaksjonen mellom nitrogen og hydrogen er reversibel og skjer i henhold til ligningen
   N2 + 3H2 ⇌ 2NH3. Ved likevekt var konsentrasjonene av de deltagende stoffene: [N2] = 0,1 mol/l, [H2] = 2,0 mol/l, [NH3] = 0,40 mol/l. Beregn likevektskonstanten og de opprinnelige konsentrasjonene av nitrogen og hydrogen.
   Løsning:
   For den gitte reaksjonen
   Ved å sette inn likevektskonsentrasjonene får vi = 2
   I henhold til reaksjonsligningen, fra 1 mol nitrogen og 3 mol hydrogen får vi 2 mol ammoniakk, så for å danne 0,4 mol ammoniakk ble 0,2 mol nitrogen og 0,6 mol hydrogen brukt. Derfor vil de opprinnelige konsentrasjonene 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: Kavan = 2; C0 (N2) = 0,21 mol/l og C0 (H2) = 2,6 mol/l.

6. Ett mol av en blanding av propen og hydrogen, som har en hydrogen tetthet på 15, ble oppvarmet i en lukket beholder med en platina katalysator ved 320°C, og trykket i beholderen ble redusert med 25%. Beregn reaksjonsutbyttet i prosent av teoretisk. Hvor mange prosent vil trykket i beholderen reduseres dersom man bruker 1 mol blanding av de samme gassene ved samme betingelser, men med en tetthet på 16?
   Løsning:
   C3H6 + H2 ⇌ C3H8

1. La ν(C3H6) = x, ν(H2) = 1 - x, så er massen av blandingen 42x + 2(1 - x) = 2 • 15 = 30,
   derfor x = 0,7 mol, altså ν(C3H6) = 0,7 mol, ν(H2) = 0,3 mol.
   Trykket ble redusert med 25 % under uendrede temperatur og volum på grunn av en reduksjon på 25 % i antallet mol som reagerte. La y mol H2 delta i reaksjonen, da etter reaksjonen vil ν(C3H6) = 0,7 - y, ν(H2) = 0,3 – y, ν(C3H8) = y,
   νtot = 0,75 = (0,7 - y) + (0,3 - y) + y, så y = 0,25 mol.
   Teoretisk kunne 0,3 mol C3H8 dannes (H2 er i overskudd), så utbyttet er . Likevektskonstanten under disse forholdene er

2. La i det andre tilfellet ν(C3H6) = a mol, ν(H2) = (1 - a) mol, så er massen av blandingen 42a + 2(1 - a) = 2 • 16 = 32, derfor a = 0,75, altså ν(C3H6) = 0,75, ν(H2) = 0,25. La b mol H2 delta i reaksjonen. Dette tallet kan finnes ved å bruke betingelsen om uforandret likevektskonstant
   

   Av de to røttene til denne kvadratiske ligningen velger vi roten som tilfredsstiller betingelsen 0 < b < 0,25, det vil si b = 0,214 mol.
   Det totale antallet mol etter reaksjonen er
   νtot = ((0,75 - 0,214) + (0,25 - 0,214) + 0,214 - 0,786) mol, det vil si at det reduseres med 21,4 % i forhold til det opprinnelige antallet (1 mol). Trykket er proporsjonalt med antallet mol, så det reduseres også med 21,4 %.
   Svar: Utbytte C3H8 = 83,3%; trykket reduseres med 21,4%.

Oppgaver for selvstendig løsning

1. I reaksjonen mellom glødende jern og damp
   3Fe(s) + 4H2O(g) ⇌ Fe3O4(s) + 4H2(g), når likevekt er nådd, er de partielle trykkene av hydrogen og damp henholdsvis 3,2 og 2,4 kPa. Beregn likevektskonstanten.

2. Beregn likevektskonstantene Kp, Kc for den gassreaksjonen
   CO + Cl2 ⇌ COCl2, sammensetningen av gassblandingen ved likevekt var som følger (volumprosent): CO = 2,4, Cl2 = 12,6, COCl2 = 85,0, og det totale trykket i blandingen ved 20°C var 1,033*105 Pa. Beregn ΔG for reaksjonen.

3. Beregn likevektskonstanten ved en gitt temperatur for den reversible reaksjonen CO + H2 ⇌ CO2 + H2, gitt at de likevekts konsentrasjonene av de reagerende stoffene var [CO] = 0,16 mol/l, [H2O] = 0,32 mol/l, [CO2] = 0,32 mol/l, [H2] = 0,32 mol/l.

4. I en ståltank er kalsiumkarbonat og luft under trykk på 1 atm ved 27°C. Tankens temperatur økes til 800°C og reaksjonen når likevekt. Beregn likevektskonstanten Kp for reaksjonen CaCO3 ⇌ CaO + CO2 ved 800°C, gitt at det likevektstrykket for gassen i tanken ved denne temperaturen er 3,82 atm, og at CaCO3 ikke nedbrytes ved 27°C.

5. Ved konstant temperatur i et homogent system A + B ⇌ 2C er det etablert en likevekt med likevektskonsentrasjoner [A] = 0,8 mol/l, [B] = 0,6 mol/l, [C] = 1,2 mol/l. Beregn de nye likevektskonsentrasjonene dersom 0,6 mol/l av stoff B tilsettes systemet.

6. Hvordan kan de optimale forholdene for industriell syntese av ammoniakk med høy utbytte begrunnes ved hjelp av den termokjemiske reaksjonsligningen
   N2 + 3H2 ⇌ 2NH3 + 491,8 kJ, og tatt i betraktning at reaksjonshastigheten er svært lav ved lave temperaturer?

7. Beregn likevektskonstanten for de følgende reaksjonene som skjer ved standardbetingelser og ved 400K.
   a) Na2O(s) + CO2(g) → Na2CO3(s)
   b) N2O4(g) ⇌ 2NO2(g)

8. Beregn likevektskonstanten for reaksjonen ved 500K:
   4HCl(g) + O2(g) ⇌ 2H2O(g) + 2Cl2(g). Anta måter å øke konsentrasjonen av klor i den likevektsblandingen.

9. Når 2 mol eddiksyre og 2 mol etanol blandes, skjer reaksjonen
   CH3COOH + C2H5OH ⇌ CH3COOC2H5 + H2O. Ved likevekt er det igjen 0,5 mol CH3COOH og C2H5OH, samt et visst antall eter og vann. Beregn sammensetningen av likevektsblandingen dersom 3 mol CH3COOH og C2H5OH blandes ved samme temperatur.

10. Beregn de opprinnelige konsentrasjonene av stoffene i den reversible reaksjonen
    2CO + O2 ⇌ 2CO2 og likevektskonstanten, gitt at de likevekts konsentrasjonene er [CO] = 0,44 mol/l, [O2] = 0,12 mol/l, [CO2] = 0,18 mol/l.