Luku 2. Kemiallisen reaktion tasapaino

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Luku 2. Kemiallisen reaktion tasapaino"

Anna Karvonen
6 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Luku 2 Kemiallisen reaktion tasapaino 1

2 2

3 Keskeisiä käsitteitä 3

4 Tasapainotilan syntyminen, etenevä reaktio 4

5 Tasapainotilan syntyminen 5

6 Tasapainotilan syntyminen, palautuva reaktio 6

7 Kemiallisen tasapainotilan ominaisuuksia Tasapainoreaktiossa tapahtuu etenevän reaktion lisäksi myös palautuva reaktio Kun reaktiossa on saavutettu tila, jossa etenevän reaktion nopeus (ν e ) on yhtä suuri kuin palautuvan reaktion nopeus (ν p ), on reaktio tasapainotilassa Dynaaminen tasapainotila voidaan saavuttaa vain suljetussa systeemissä 7

8 Dynaaminen tasapainotila = lähtöaineiden ja lopputuotteiden konsentraatiot eivät enää muutu eli ovat vakioita, kun lämpötila ja paine myös vakioita! 8

9 Dynaaminen tasapainotila, v e = v p 9

[A],[B],[C],[D] =aineiden A,B,C ja D konsentraatiot tasapainotilassa Tasapainovakion K johtaminen Dynaamisessa tasapainotilassa

10 Reaktionopeudet A + B C + D Etenevän reaktion nopeus ν e = k e [A] [B] Palautuvan reaktion nopeus ν p = k p [C] [D] k e = etenevän reaktion reaktionopeusvakio tietyssä lämpötilassa k p = palautuvan reaktion reaktionopeusvakio tietyssä lämpötilassa [A],[B],[C],[D] =aineiden A,B,C ja D konsentraatiot tasapainotilassa Tasapainovakion K johtaminen Dynaamisessa tasapainotilassa reaktionopeudet ovat yhtä suuret etenevälle ja palautuvalle reaktiolle, joten: ν e = ν p k e [A] [B] = k p [C] [D] Tasapainovakio K: 10

11 Tasapainovakiolausekkeen kirjoittaminen Kirjoitetaan reaktiolle CH 4 (g) + H 2 O(g) 3 H 2 (g) + CO(g) tasapainovakion lauseke ja määritetään sen yksikkö: Yksikkötarkastelu: 11

12 Tasapainovakio, K Reaktion tasapainovakio kertoo, miten pitkälle reaktio on edennyt K >> 1 tasapainoasema oikealla, reaktiotuotteita on reaktioseoksessa paljon K << 1 tasapainoasema vasemmalla, reaktiotuotteita on reaktioseoksessa vähän 12

13 Etenevän ja palautuvan reaktion tasapainovakioiden välillä vallitsee yhteys: K 1 K 2 = 1, missä K 1 = etenevän reaktion tasapainovakio K 2 = palautuvan reaktion tasapainovakio Katso kirjan esimerkkitehtävä s. 19 tee tehtävät s.35 13

14 14

15 Tasapainoreaktioiden laskutekniikat Esimerkki 1 Typpi- ja vetykaasun seos suljettiin astiaan, joka kuumennettiin 472 C:n lämpötilaan. Kun tasapaino oli asettunut, mitattiin kaasujen tasapainokonsentraatiot, jotka olivat [N 2 ] = 0,0402 mol/l [H 2 ] = 0,1207 mol/l [NH 3 ] = 0,00272 mol/l Laske reaktion N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) tasapainovakio tässä lämpötilassa. 15

16 16

17 14. Eräässä lämpötilassa 2,00 litran astia sisälsi tasapainotilassa 2, mol typpeä, 2, mol happea ja 2, mol dityppioksidia. Laske reaktion 2 N 2 (g) + O 2 (g) 2 N 2 O(g) tasapainovakio tässä lämpötilassa. 17

18 18

19 Jos kaikkien aineiden tasapainokonsentraatioita ei tiedetä, selvitetään ne seuraavasti: 1.Taulukoidaan kaikkien aineiden alkukonsentraatiot. Mikäli aineelle ei ole ilmoitettu alkukonsentraatiota, se merkitään nollaksi. 1. Merkitään taulukkoon myös annetut tasapainokonsentraatiot. 2. Merkitään taulukkoon sellaisen aineen alku ja tasapainokonsentraation muutos, jonka molemmat konsentraatiot tunnetaan (konsentraation pieneneminen voidaan merkitä negatiivisena ja lisääntyminen positiivisena lukuna). 3. Käyttämällä hyväksi tasapainotetun reaktioyhtälön kertoimien suhdetta merkitään konsentraation muutos muille aineille. 4. Lasketaan konsentraatiomuutosten avulla niiden aineiden tasapaino konsentraatiot, joita ei vielä tiedetä. 5. Sijoitetaan näin saadut tasapainokonsentraatiot tasapainovakion lausekkeeseen. 19

20 Tasapainovakion laskeminen kirjan esimerkkitehtävä 2 s.21 Ratkaisu 20

21 tee kirjasta tehtävät 15,18 (s.36) 21

22 22

23 Tehtävä 15 23

24 Tehtävä 18 24

25 Tasapainokonsentraation laskeminen esim. 4 s.23 25

26 Tehtävä 19 26

27 Tehtävä 20 27

28 Tehtävä 26 28

29 29

30 30

31 Reaktion suunnan ennustaminen Esimerkki 6 s.26 Ammoniakkisynteesiä kuvaavan reaktion tasapainovakion arvo 472 C:ssa on 0,105 (mol/dm 3 ) 2. Suljetussa 1,0 litran astiassa on 2,00 mol vetykaasua, 1,00 mol typpikaasua sekä 2,00 mol ammoniakkia ja seos kuumennetaan 472 C:n lämpötilaan. Mihin suuntaan reaktion on edettävä, jotta muodostuu tasapainotila? Ratkaisu: Lasketaan eri aineiden konsentraatiot ja sijoitetaan ne reaktion tasapainovakion lausekkeeseen Vertaamalla saatua arvoa annettuun tasapainovakion arvoon 0,105 (mol/dm 3 ) 2 havaitaan, että ammoniakin konsentraation tulisi pienentyä ja vastaavasti typen ja vedyn konsentraatioiden kasvaa, jotta tasapainovakion arvo pienenisi arvosta 0,500 (mol/dm 3 ) 2 arvoon 0,105 (mol/dm 3 ) 2. Ammoniakin on siis hajottava vedyksi ja typeksi, eli reaktion N 2 (g) + 3 H 2 (g) <= > 2 NH 3 (g) on tapahduttava palautuvan reaktion suuntaan eli vasemmalle. 31

32 Reaktion tasapainotilaan vaikuttavia tekijöitä Le Châtelier'n periaate: Jos tasapainotilassa olevaan systeemin olosuhteita muutetaan, systeemi pyrkii kumoamaan tehdyn muutoksen. Tasapainotilaan voidaan vaikuttaa: konsentraation muutoksilla lämpötilaa muuttamalla painetta muuttamalla (kaasut) katalyyttien avulla 32

33 Lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden konsentraatioiden muutokset Lisäämällä lähtöainetta reaktio etenee tuotteiden suuntaan (ja päinvastoin) Poistamalla tuotetta reaktio etenee tuotteiden suuntaan (ja päinvastoin) Muodostuu uusi tasapainotila, mutta tasapainovakion arvo (K) säilyy! 33

34 Vedyn lisäyksen vaikutus ammoniakkisynteesin tasapainotilaan 34

35 Paineen vaikutus Painetta lisäämällä reaktio etenee sellaiseen suuntaa, jossa kaasumooleja on vähemmän (ja päinvastoin). Ei muuta tasapainovakiota K, vaikka uusi tasapainotila muodostuu! 35

36 Lämpötilan vaikutus Lämpötilan muutos vaikuttaa reaktion tasapainovakio K:n arvoon!!! Kun lämpötilaan nostetaan reaktio etenee endotermiseen suuntaan ja lämpötilan lasku edistää eksotermistä reaktiosuuntaa. 36

37 Katalyytin vaikutus katalyytti ei muuta reaktion tasapainotilaa nopeuttaa tasapainotilan muodostumista aktivoitumisenergiaa pienentämällä ei vaikutusta tasapainovakion arvoon 37

38 Käytännön ammoniakkisynteesi 38

39 39

40 Kertaus tasapainotilaan vaikuttavista tekijöistä 40

41 41

Samankaltaiset tiedostot

Tasapainotilaan vaikuttavia tekijöitä

REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 Tasapainotilaan vaikuttavia tekijöitä Fritz Haber huomasi ammoniakkisynteesiä kehitellessään, että olosuhteet vaikuttavat ammoniakin määrään tasapainoseoksessa. Hän huomasi,