kun hiilimonoksidia ja vettä oli 0,0200 M kumpaakin ja hiilidioksidia ja vetyä 0,0040 M kumpaakin?

Transkriptio

1 Esimerkki: Mihin suuntaan etenee reaktio CO (g) + H 2 O (g) CO 2 (g) + H 2 (g), K = 0,64, kun hiilimonoksidia ja vettä oli 0,0200 M kumpaakin ja hiilidioksidia ja vetyä 0,0040 M kumpaakin? 1

2 Le Châtelier'n periaate Henry Louis Le Châtelier ( ), ranskalainen kemisti Kuvan lähde: Kuva kuuluu public domainiin. Interaktiivinen demo Haberin prosessista. 2

3 Ammoniakki NH 3 on tärkeä lähtöaine monissa kemianteollisuuden prosesseissa. Sitä käytetään mm. typpilannoitteiden, typpihapon ja räjähteiden valmistamisessa. Ammoniakkia valmistetaan Haberin ja Boschin menetelmällä vety ja typpikaasuista n. 500 o C:een lämpötilassa ja n. 30 MPa:n paineessa katalyytin läsnäollessa. Reaktio on, jolle 500 o C:een lämpötilassa K = 1, (l/mol) 2 ja ΔH < 0 kj/mol. Mitä tasapainovakion arvo kertoo tasapainon asettumisesta? Mitä ongelmia tästä käytännössä seuraa? 3

4 Le Châtelier'n periaate: Jos tasapainotilassa olevan systeemin olosuhteita muutetaan, systeemi pyrkii kumoamaan tehdyn muutoksen. Esimerkki: Tarkastellaan reaktio olosuhteiden muuttamisen vaikutusta ammoniakkisynteesin tasapainoasemaan. K = [NH 3 ] 2 [N 2 ] [H 2 ] 3 Interaktiivinen demo Haberin prosessista. 4

5 1. Konsentraatioiden muuttaminen K = [NH 3 ] 2 [N 2 ] [H 2 ] 3 Jos lisätään vetyä, reaktio osamäärän arvo pienenee. Systeemi pyrkii tuottamaan lisää ammoniakkia, jotta reaktio osamäärä suurenisi takaisin arvoon K. Johtopäätös: lähtöaineen konsentraation suurentaminen siirtää tasapainoa tuotteiden suuntaan. Jos lisätään ammoniakkia, reaktio osamäärän arvo suurenee. Systeemi pyrkii tuottamaan lähtöaineita, jotta reaktio osamäärä pienenisi takaisin arvoon K. Johtopäätös: tuotteen konsentraation suurentaminen siirtää tasapainoa lähtöaineiden suuntaan. 5

6 K = [NH 3 ] 2 [N 2 ] [H 2 ] 3 2. Paineen muuttaminen Paineeseen voidaan vaikuttaa muuttamalla reaktioastian tilavuutta. Jos astian tilavuutta pienennetään, paine kasvaa. Systeemi kiihdyttää etenevää reaktiota. Tällöin kaasujen kokonaisainemäärä pienenee, ja siksi paine pienee. Siis tasapaino siirtyy ammoniakin puolelle. Jos astian tilavuutta suurennetaan, paine pienenee. Systeemi kiihdyttää palautuvaa reaktiota. Tällöin kaasujen kokonaisainemäärä suurenee, mikä nostaa painetta. Siis tasapaino siirtyy typen ja vedyn puolelle. Johtopäätös: Paineen kasvattaminen siirtää tasapainoa siihen suuntaan, joka pienentää kaasujen kokonaisainemäärää. Paineen pienentäminen aiheuttaa vastakkaisen muutoksen. Huomaa: Paineen muuttaminen ei vaikuta kiinteisiin aineisiin tai nesteisiin. Jos reaktioon ei osallistu kaasuja, ei paineen muuttaminen siirrä tasapainoasemaa. 6

7 E ΔH < 0 kj/mol [NH 3 ] 2 K = [N 2 ] [H 2 ] 3 H(lähtöaineet) H(tuote) ΔH < 0 kj/mol reaktion eteneminen 7

8 3. Lämpötilan muuttaminen Lämpötilan muutos muuttaa tasapainovakion arvoa. K on ilmoitettu aina tietyssä lämpötilassa. Nyt H < 0 kj/mol, joten etenevä reaktio on eksoterminen eli vapauttaa lämpöä. Jos reaktioseosta lämmitetään, systeemi vastustaa muutosta kiihdyttämällä endotermistä, lämpöä sitovaa reaktiota. Siis tasapaino siirtyy typen ja vedyn puolelle. Näin K:n arvo pienenee. Reaktioseoksen viilentäminen aiheuttaa käänteisen muutoksen. Johtopäätös: systeemin lämmittäminen siirtää tasapainoa endotermiseen suuntaan ja viilentäminen eksotermiseen suuntaan. 8

9 Lämpötilan muuttamisen vaikutus voidaan päätellä, jos tunnetaan reaktion entalpiamuutos. Entalpiamuutoksen voi laskea KE3 kurssin tiedoin: joko muodostumislämmöillä tai sidosenergioilla (epätarkempi tapa). Pohdittavaa: Jos ammoniakkisynteesi on eksoterminen reaktio, miksi Haberin ja Boschin menetelmässä käytetään niin korkeaa lämpötilaa? Matalammassa lämpötilassa tasapaino olisi vahvemmin tuotteen puolella. Vihje: Reaktionopeus! 9

10 Kaikki reaktiosysteemille tehtävät muutokset eivät vaikuta tasapainotilaan. Erityisesti katalyytin käyttäminen ei siirrä tasapainoasemaa. Katalyytti vain alentaa aktivoitumisenergiaa, jolloin reaktionopeus suurenee ja tasapaino saavutetaan nopeammin. E H(lähtöaineet) H(tuote) reaktion eteneminen 10