Kemisk jämvikt. Niklas Dahrén

Transkript

1 Kemisk jämvikt Niklas Dahrén

2 Vad innebär en jämviktsreaktin ch vad innebär jämvikt? ü Jämviktsreak-n ch jämvikt: En jämviktsreak/n är en reak/n sm kan gå i båda riktningarna (reversibel reak/n) ch sm går lika frt åt båda hållen e;er a< jämvikt har ställt in sig. Med lika frt menas a< kncentra/nen av de ingående ämnena inte längre förändras. Kncentra/nerna behöver dck inte vara lika str på båda sidr vid jämvikt. ü I början av en kemisk reak-n (innan jämvikt har nå9s) är reak/nen all/d förskjuten åt an/ngen vänster eller höger. Det betyder a< reak/nen går frtast åt an/ngen vänster eller höger. Anledningen kan vara; a< kncentra/nen är högre av de ämnen sm är på den ena sidan jämfört med den andra ch därför har de lä<are a< reagera med varandra. a< vissa ämnen (p.g.a. struktur ch kemiska egenskaper) har lä<are a< reagera med varandra.

3 En jämviktsreaktin steg för steg Uppgi>: Vi är kemister ch ska synte/sera ämnena C ch D. För a< åstadkmma det så /llsä<er vi en str kncentra/n av ämne A resp. ämne B i e< reak/nskärl. 1) A ch B börjar reagera med varandra i hög utsträckning e;ersm det finns mycket av dessa ämnen. C ch D finns dck inte alls i början av reak/nen ch kmmer därför inte kunna reagera med varandra. Reak/nen går alltså /ll höger. Vi säger a< jämviktsreak/nen är förskjuten åt höger (högerförskjuten). 2) E;er en liten stund börjar det bildas mer ch mer av ämnena C ch D (e;ersm många A ch B har hunnit reagera med varandra). De<a innebär a< även ämnena C ch D kan börja reagera med varandra för a< bilda ämnena A ch B. Reak/nen är froarande förskjuten åt höger men inte lika tydligt sm /digare. 3) E;er e< tag har mycket C ch D bildats vilket innebär a< C ch D kan reagera med varandra i hög utsträckning för a< bilda A ch B. Det har nu uppstå< en jämvikt vilket innebär a< reak/nen går lika snabbt åt båda hållen ch därmed kmmer inte längre de ingående ämnenas kncentra/ner a< förändras. Det är dck vik-gt a9 förstå a< kncentra/nen av resp. ämne inte behöver vara lika när jämvikten uppstår. Om t.ex. A ch B har mycket lä<are a< reagera med varandra än vad C ch D har så kmmer det krävas en mycket större kncentra/n av C ch D innan jämvikten infinner sig.

4 Vad innebär jämviktsknstanten? ü 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. ü 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. Vi får därför en högre kncentratin till höger jämfört med till vänster vid jämvikt ch därför blir värdet på K högt.

5 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) A< vi vid jämvikt har hög kncentra/n av ämnet i det högra ledet (HI) ch låg kncentra/n av ämnena i det vänstra ledet (H 2 ch I 2 ). Ämnena /ll vänster har alltså lä< för a< reagera med varandra ch därför bildas det mycket av ämnet /ll höger. Man säger a< reak/nen är högerförskjuten (a< den innan jämvikt går mest åt höger).

6 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 jämviktsekva/nen. 2. Gör en tabell sm visar vad vi vet ch vad vi ska räkna ut. 3. Sä< in kncentra/nerna i jämviktsekva/nen ch räkna ut K Substansmängden (n): Vlymen (v): Kncentra/nen (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 0,21/10,0= 0,28/10,0= 0,028 ml/dm 3 0,021 ml/dm 3 0,81/10,0= 0,081 ml/dm 3

7 Jämviktsknstanten kan ha lika enheter ü ü Jämviktsknstanten K visar alltså kncentra/nsförhållandet mellan höger ch vänster sida vid jämvikt. Kncentra/nen mäts vanligtvis i enheten mlar (M) sm är samma sak sm ml/dm 3. Enheten för K är dck inte all/d M utan kan även betecknas t.ex. M -2, M -1 eller t..m. vara enhetslös. Vi tar jämviktsekva/nen från föregående uppgi; sm exempel: M M * M = M 1 M 2 = M 1-2 = M -1

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

9 Uppgift 4: Svaveltrixid kan sönderfalla till svaveldixid ch syrgas enligt följande frmel: 2SO 3 (g) 2SO 2 (g) + O 2 (g). En behållare på 50,0 dm 3 fylldes med 1,00 ml svaveltrixid. Vid jämvikt fanns det 0,58 ml svaveldixid. Vilken är jämviktsknstanten för reaktinen? Lösning: 1. Ställ upp jämviktsekva/nen. 2. Gör en tabell sm visar vad vi vet ch vad vi ska räkna ut. 3. Sä< in kncentra/nerna i jämviktsekva/nen ch räkna ut K Substansmängden (n) vid start: Vlymen (v): Substansmängden (n) vid jämvikt: Knc. (c) vid jämvikt: c= n/v 2SO 3 2SO 2 + O 2 CO(g) Cl 2 (g) COCl 2 (g) 1,00 ml 1. 50,0 dm 3 50,0 dm 3 50,0 dm 3 1,00-0,58= 0,42 ml 0,42/50,0= 0,0084 0,00 ml 0,00 ml 0,58 ml 0,58/2= 0,29 ml 0,58/50,0= 0,0116 0,29/50,0= 0,0058

10 Uppgift 5: 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 jämviktsekva/nen. 2. Gör en tabell sm visar vad vi vet ch vad vi ska räkna ut. 3. Sä< in K ch de kända kncentra/nerna i jämviktsekva/nen. Räkna ut den kända kncentra/nen Substansmängden (n) vid jämvikt: Vlymen (v): Kncentra/nen (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

11 ü Hur påverkas en jämviktsreaktin av lika faktrer? Exempel på faktrer sm kan påverka en jämnviktsreak-n: Kncentra/nen av de ingående ämnena. Temperaturen sm reak/nen sker vid. Trycket. Katalysatrer (t.ex. enzymer). ü Om man förändrar någt i e9 jämnviktssystem förskjuts jämnvikten på e9 sådant sä9 a9 förändringen mtverkas: Om kncentra/nen av ämnena /ll vänster ökar kmmer reak/nen förskjutas åt höger så a< kncentra/nsskillnaden avtar. Om det mgivande trycket ökar (t.ex. genm a< vlymen av reak/nskärlet sm ämnena befinner sig i minskar) kmmer jämviktsreak/nen förskjutas åt det håll sm leder /ll a< tryckökningen mtverkas (så a< det bildas färre antal par/klar). Om den mgivande temperaturen ökar kmmer jämviktsreak/nen förskjutas åt det håll sm leder /ll a< temperaturökningen mtverkas (åt det endterma hållet ). Om e< enzym /llsä<s kmmer reak/nen förskjutas åt det håll sm enzymet kan katalysera.

12 Uppgift 6: Hur påverkas nedanstående jämviktsreaktin av en ökad kncentratin av N 2? N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH kj Reak/nen/jämviktsläget förskjuts åt höger Lösning: Om kncentra/nen av e< ämne ökar på den vänstra sidan kmmer det innebära a< jämviktsläget förskjuts åt höger (ch tvärtm m kncentra/nen hade ökat på högra sidan). Mer N 2 på den vänstra sidan innebär a< det kmmer ske fler krckar med H 2 per /dsenhet ch därmed fler reak/ner mellan dessa så a< mer NH 3 bildas.

13 Uppgift 7: Hur påverkas nedanstående jämviktsreaktin m vi minskar vlymen av reaktinskärlet ch därmed ökar trycket? Lösning: N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH kj 4 par/klar 2 par/klar Reak/nen/jämviktsläget förskjuts åt höger Om man förändrar trycket i e< jämnviktssystem förskjuts jämnvikten på e< sådant sä< a< tryckförändringen mtverkas. Om vlymen minskar, blir det trängre i reak/nskärlet, vilket leder /ll fler krckar mellan mlekylerna. Jämviktsläget kmmer därför förskjutas åt höger e;ersm det innebär a< det blir färre par/klar. Färre par/klar= lägre tryck.

14 Uppgift 8: Hur påverkas nedanstående jämviktsreaktin av ökad temperatur? N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH kj Lösning: Reak/nen/jämviktsläget förskjuts åt vänster Om reak/nen går åt höger frisä<s värmeenergi. Reak/nen åt höger är alltså en exterm reak/n. Exterma reak/ner kan ske även vid låga temperaturer. För a< reak/nen ska kunna gå åt vänster krävs det /llförsel av energi (värme). Reak/nen åt vänster är därför en endterm reak/n. Endterma reak/ner sker inte särskilt lä< vid låga temperaturer men gynnas däremt kra;igt vid höga temperaturer. Vid en hög temperatur kmmer därför jämviktsläget vara förskjutet åt vänster. När reak/nen går åt vänster så kmmer värme tas upp från mgivningen vilket kmmer mtverka temperaturhöjningen.

15 Enzymer underlättar kemiska reaktiner ü Tillräckligt hög ak-veringsenergi krävs för a9 en reak-n ska kunna ske: För a< en reak/n ska kunna ske mellan 2 reaktanter krävs a< reaktanterna har /llräckligt hög energi (has/ghet) vid krcken. Annars kmmer inte de gamla bindningarna kunna brytas. De<a kallas för ak/veringsenergi. Vid hög mgivande temperatur har reaktanterna /llräckligt hög ak/veringsenergi för a< reak/nen ska kunna ske. ü Enzymer underlä9ar kemiska reak-ner: Enzymer binder sina reaktanter på e< specifikt sä< vilket dels innebär a< de gamla bindningarna i reaktanterna försvagas ch a< reaktanterna krckar med varandra på e< p/malt sä< (i rä< vinkel). Reaktanterna kan då reagera med varandra på e< lä<are sä< ch utan a< de behöver ha så hög ak/veringsenergi. Enzymer sänker alltså den ak/veringsenergi sm krävs för en viss reak/n. ü Jämvikt nås snabbare: Vid en viss given temperatur kmmer enzymer påverka en viss reak/n så a< jämvikt nås snabbare. Men förhållandet mellan de lika ämnena ch därmed jämviktsknstanten Bildkälla: By Fvascncells (talk cntribs) (language mdified by Natx (talk cntribs)) (File:Carbnic anhydrase påverkas ej. reac/n in /ssue.svg) [CC-BY-SA-3.0 (h<p://crea/vecmmns.rg/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Cmmns

16 Se gärna fler filmer av Niklas Dahrén: h9p:// h9p://