Osa2. Kemiallinen reaktio

Osa2. Kemiallinen reaktio 1. Kertoimien määrittäminen 2. Määrälliset laskut - massasuhdemenetelmä - moolimenetelmä 3. Palamisreaktiot 4. Lämpöenergia reaktioissa 5. Reaktionopeuteen vaikuttavia tekijöitä 6. Tasapainoreaktiot

1. Reaktioyhtälön kirjoittaminen Kemiallisessa reaktiossa alkuaineet tai yhdisteet reagoivat keskenään synnyttäen uusia yhdisteitä. Viime kädessä kyse on elektronien siirtymisistä elektronikuorien välillä. Reaktioon osallistuvia aineita sanotaan lähtöaineiksi ja syntyviä aineita reaktiotuotteiksi Reagoivien aineiden atomien ja molekyylien välisiä lukumääräsuhteita kuvataan reaktioyhtälöllä. (vrt. resepti)

Esimerkki. Ammoniakin valmistus typestä ja vedystä N + N <=> 3 H 2 + N 2 <=> 2 NH 3 Kuva kertoo, miten 2 vetymolekyylistä H 2 ja yhdestä typpimolekyylistä N 2 syntyy 2 ammoniakkimolekyyliä NH 3. Sama informaatio sisältyy lyhyemmässä muodossa reaktioyhtälöön. Hiukkasten lukumäärät ilmoitetaan aineiden eteen kirjoitettavilla kertoimilla, jotka kuvaavat siten reaktion hiukkassuhteita. Huom. Kaasut esiintyvät kaksiatomisina molekyyleinä N 2, O 2, H 2, j.n.e Reaktionuoli on => jos reaktio yksisuuntainen, < = > jos reaktio kaksisuuntainen

Kertoimien määrittämisen ohje ja esimerkki 1. Kirjoita lähtöaineet ja tuotteet yhtälöön ilman kertoimia. 2. Määritä kertoimet periaatteella, että kutakin atomilajia tulee olla reaktioyhtälön molemmilla puolilla yhtä suuri määrä. Suorita tasapainotus alkuaine kerrallaan. Lähde sellaisista alkuaineista, joita on vain yhdessä lähtöaineessa ja tuotteessa. Esim. Täydennä kertoimet hematiitin (Fe 2 O 3 ) ja hiilen reaktioon: Fe 2 O 3 + C => Fe + CO 2 Tasapainotetaan ensin happi, sitten hiili, lopuksi rauta 2 Fe 2 O 3 + C => Fe + 3 CO 2 happi tasapainossa 2 Fe 2 O 3 + 3 C => Fe + 3 CO 2 hiili tasapainossa Alla lopullinen reaktioyhtälö, jossa kaikki alkuaineet ovat tasapainossa 2 Fe 2 O 3 + 3 C => 4 Fe + 3 CO 2

Täydennä puuttuvat kertoimet seuraaviin reaktioyhtälöihin CH 4 + O 2 => CO 2 + H 2 O H 2 S + Cl 2 => S + HCl H 3 PO 4 + NaCl => Na 3 PO 4 + HCl Cl 2 + Na 2 S 2 O 3 + H 2 O => NaSO 4 + HCl H 2 + O 2 => H 2 O

Määrälliset laskut Määrällisessä laskussa pyritään määrittämään reaktioon osallistuvien aineiden määrät, kun yhden (joskus useammankin) aineen määrä on tiedossa. Laskun suorittamiseksi on tunnettava reaktioyhtälö kertoimineen. Perusmenetelmiä on kaksi: A. MASSASUHDEMENETELMÄ B. MOOLIMENETELMÄ

A. Massasuhdemenetelmä Esimerkki. Kuinka paljon hiiltä kuluu pelkistettäessä 4000 kg hematiittia (Fe 2 O 3 ) puhtaaksi raudaksi reaktiossa 2 Fe 2 O 3 +3 C => 3 CO 2 + 4 Fe? Lasketaan tarvittavat molekyylipainot (kertoimet ei mukana) M käyttäen atomimassataulukkoa ja merkitään yhdisteiden yläpuolelle M Fe2O3 =159.7 M C =12 2 Fe 2 O 3 + 3 C => 3 CO 2 + 4 Fe 4000 kg x <= molekyylimassat <= massat tälle riville, tuntemattomia massoja merkitään x, y,. Seuraavaksi määritetään hiilen kulutuksen ja hematiitin massasuhde. Kahta Fe 2 O 3 :a kohti kuluu aina 3 hiiliatomia, joten hiilen ja Fe 2 O 3 :n massasuhde = 3 12 = 0.113 2 159.7 Molekyylitasolla ja suurten määrien tasolla vallitsee sama massasuhde, joten x 4000 kg = 0.113 => x = 0113*4000 kg = 452 kg Vastaus: hiiltä kuluu 452 kg

Jatkotehtävä. Nykyään on tärkeää laskea hiilidioksidipäästöjä. Lasketaan edelliseen tehtävään vielä syntyvän hiilidioksidin määrä kilogrammoina M Fe2O3 =159.7 M CO2 =44 <= molekyylimassat 2 Fe 2 O 3 + 3 C => 3 CO 2 + 4 Fe 4000 kg y <= massat tälle riville, tuntemattomia massoja merkitään x, y,. Hiilidioksidin ja hematiitin massasuhde = Hiilidioksidin määrä y saadaan yhtälöstä 3 44 =0.413 2 159.7 Vastaus: Hiilidioksidipäästöt ovat 1652 kg y 4000 kg = 0.413 => x = 0.413*4000 kg = 1652 kg Huom! Useimmiten välivaihe, jossa massasuhde lasketaan desimaalilukuna, ohitetaan ja kirjoitetaan suoraan verranto, josta kysytty massa voidaan ratkaista: y 4000 kg = 3 44 2 159.7

Massasuhdemenetelmä yleisessä muodossa -reagoivat aineet A,B, tuotteet C ja D, kertoimet a,b,c,d M A M B M C M D <= lasketaan tehtävän kannalta tarpeelliset molekyylipainot a A + b B => c C + d D m A m B x y <= merkitään tehtävässä annetut massat, ratkaistavia massojen merkitään x,y,... Ratkaistaan tuntemattomat massasuhteista saaduista verrannoista x m A = c M c a M A y m A = d M D a M A

Esimerkki kullan rikastamisesta syanidin avulla Prosessissa malmirikasteeseen sekoitetaan syanidia, noin kaksi kiloa NaCN malmitonnia kohden. Emäksisessä syanidiliuoksessa, johon lisätään happea, kulta hapettuu ja muodostuu natriumsyanoauraattia. Määritä kertoimet reaktioyhtälöön, jolla kulta liuotetaan syanidilla. Au + NaCN + O 2 + H 2 O Na[Au(CN) 2 ] + NaOH 2 Au + 4 NaCN + ½ O 2 + H 2 O 2 Na[Au(CN) 2 ] + 2 NaOH Liuotusvaiheen jälkeen disyanoauraatti(i)-ioneja sisältävä liuos erotetaan kiviaineksesta ja muusta sakasta suodattamalla. Kulta erotetaan elektrolyysillä (tasavirralla) jolloin kulta pelkistyy ja syanidi vapautuu uudelleen käytettäväksi.

Tehtävä: Kuinka paljon natriumsyanidia NaCN tarvitaan 1000 g kultaharkon erottamiseen malmista? molekyylimassat 197 23+12+14= 49 massat: 2 Au + 4 NaCN + ½ O 2 + H 2 O 2 Na[Au(CN) 2 ] + 2 NaOH 1000g x NaCN:n ja kullan massasuhteesta saatava verranto => x/1000 g = 4*49/(2*197) => syanidimäärä x = 0.497*1000g = 497 g

Syaanivety, natrium- ja kaliumsyanidi Syaanivety eli sinihappo HCN - Kuuluu heikkoihin happohin Kaliumsyanidi, natriumsyanidi - Emäksinen suola -Erittäin helposti syttyvä neste tai höyry - Tappavaa hengitettynä - Erittäin myrkyllistä vesieliöille - Tappavaa hengitettynä, nieltynä, joutuessaan iholle - Érittäin myrkyllistä vesieliöille - Kehittää hapon kanssa syaanivetyä Lähde: http://www.ttl.fi/ova/ Työterveyslaitoksen Onnettomuuden Vaaraa Aiheuttavien aineiden turvaohjeet

Ylimääritelty määrällinen lasku Laske syntyvän raudan määrä, kun 5000 kg magnetiittia Fe 3 O 4 pelkistetään raudaksi hiilellä, jota on käytettävissä 400 kg. 231.6 12 Fe 3 O 4 + 2 C => 2 CO 2 + 3 Fe <= lasketut molekyylipainot Tehtävässä on annettu kahden aineen määrät, joten on oletettavissa että jompikumpi aine loppuu kesken reaktiossa. Lasketaan ensin kuinka paljon hiiltä 5000 kg magnetiittia kuluttaisi reaktiossa, jos hiiltä olisi tarpeeksi. Merkitään x:llä 5000 malmia vastaavaa hiilen kulutusta: x = 2 12 => x = 518 kg 5000 kg 231.6 Hiiltä on vain 400 kg, joten se on otettava lähtökohdaksi raudan määrää laskettaessa. (osa malmista jää reagoimatta) 231.6 12 Fe 3 O 4 + 2 C => 2 CO 2 + 3 Fe 400kg y y = 3 55.85 => y = 2793 kg 400 kg 2 12

Moolimenetelmä Soveltuu erityisesti kaasureaktioihin, joissa pitää laskea kaasujen tilavuuksia

Ainemäärä n ja sen yksikkö 1 mol (mooli) Ainemäärä n kuuluu SI järjestelmän perussuureisiin. Ainemäärä tarkoittaa hiukkasten lukumäärää. Yksikkö 1 mol = 6.022*10 23 kpl (mitä tahansa objekteja) Avogadron luku N A = 6.022*10 23

KEMIASSA MOOLI ON KESKEINEN SEURAAVISTA SYISTÄ: 1. Reaktioyhtälössä kertoimet kuvaavat hiukkasmäärien (siis moolienkin) suhteita esim. C 3 H 8 + 5 O 2 => 3 CO 2 + 4 H 2 O Jos esim. 100 moolia propaania palaa, niin happea kuluu 500 moolia, hiilidioksidia syntyy 300 moolia (koska kertoimien suhde on 1:5:3) 2. Aineen massa on helppo muuttaa mooleiksi. Avogadron luku on valittu siten, että yhdisteen molekyylipaino on samalla yhdisteen moolimassa yksikössä g/mol. Esim. H 2 SO 4 :n molekyylipaino on 98 => sen moolimassa on 98 g/mol. Jos meillä on 500 g rikkihappoa, sitä on mooleina 500 g/98 (g/mol) = 5.0 mol Esim. 11 kg propaania C 3 H 8 sisältää 11000g/44g/mol = 250 mol molekyylejä Massa mooleiksi n m M Moolit massaksi m n M

Mooli on yleinen aineen pitoisuuden eli konsentraation ilmoittamisessa. 3. Laboratoriotulokset ilmoitetaan useimmin mooleina litrassa: Esim. kolesteroli 4.1 mmol /l veren sokeri 5.4 mmol/l Aineen konsentraatio: c n V yksikkö 1 mol/l 4. Ideaalikaasun tilanyhtälössä, joka sitoo paineen p, tilavuuden V ja Kelvin- lämpötilan T esiintyy aineen moolimäärä n. Ts. yhtälö on voimassa kaikille kaasuille. NTP- olosuhteissa 1 mooli mitä tahansa kaasua vie tilavuuden 22,4 litraa. Ideaalikaasun tilanyhtälö pv nrt P = paine T = lämpötila (K) n = ainemäärä (mol) R = 8.31 ( kaasuvakio ) V = tilavuus (m 3 ) V nv mol n 22. 4 l mol Moolit litroiksi kaasua NTP:ssä NTP = normal temperature and pressure ( ns. normaaliolosuhteet): Paine = 101300 Pa (ilmanpaine) Lämpötila T = 0 o C = 273.15 K, n=1

Palamisreaktioiden ominaisuuksia Polttoaineet ovat hiilen ja vedyn yhdisteitä (joissakin lisäksi happea) Kun hiilivety palaa, reaktiotuotteet ovat aina CO 2 ja H 2 O (palamiskaasut) => reaktioyhtälö muotoa: _ C x H y + _ O 2 => _ CO 2 + _ H 2 O (kertoimet vaihtelevat hiilivedystä riippuen) Palamiseen tarvittava teoreettinen ilmamäärä saadaan kertomalla kuluvan hapen määrä luvulla 100 (koska ilman happipitoisuus on 21%) 21 Optimaalinen palaminen edellyttää eräillä polttoaineilla hieman teoreettista ilmamäärää suurempaa ilmamäärää. Kerrointa kutsutaan ilmakertoimeksi Ilmakerroin λ = n tod n teor. Tyypillinen lambda- arvo on 1.1 1.2 Lambda- anturi autoissa mittaa pakokaasujen happipitoisuutta. Jos pakokaasussa ei ole happea, moottori saa vain teoreettisen ilmamäärän, ja palaminen ei välttämättä ole optimaalista vaan esim. häkää muodostuu hiilidioksidin sijaan. Bensiiniautoissa tarvittava λ voi olla 1.1. Diesel ei tarvitse ylimääräistä ilmaa.

Palamisreaktioiden yhtälöitä Kirjoita palamisen reaktioyhtälöt seuraaville aineille: a) hiili b) metaani CH 4 c) propaani nestekaasu C 3 H 8 d) etanoli C 2 H 5 OH C + O 2 => CO 2 CH 4 + 2 O 2 => CO 2 + 2 H 2 O C 3 H 8 + 5 O 2 => 3 CO 2 + 4 H 2 O C 2 H 5 OH + 3 O 2 => 2 CO 2 + 3 H 2 O Laske tarvittava ilmamäärä, kun 600 g etanolia poltetaan. Käytä ilmakertoimelle arvoa λ = 1.1 Laske myös savukaasujen määrä tilavuutena NTP:ssä.

MOOLIMENETELMÄ MÄÄRÄLLISESSÄ LASKUSSA 1. Tunnetun lähtöaineen massa muutetaan moolimassan M(=molekyylimassa) avulla mooleiksi. (kaava n = m/m) 2. Kerrointen avulla lasketaan kaikkien aineiden moolimäärät. 3. Kaasujen määrät muutetaan NTP-tilavuuksiksi. (kerroin 22.4 L/mol) 4. Hapen kulutus muunnetaan ilmamääräksi (kerroin 100/24 * ilmakerroin λ) Massa m Moolit n=m/m V= n*22.4l M(=2*12 + 6*1 +16) =46 C 2 H 5 OH + 3 O 2 => 2 CO 2 + 3 H 2 O 600 g 600g/46g/mol = 13.0 mol 13*22.4L= 291L 3*13mol = 39 mol 39*22.4l= 874L 2*13 mol = 26 mol 26*22.4L= 582 L 3*13 mol = 39 mol 874L Ideaalikaasujen moolitilavuus NTP:ssä = 22.4ltr/mol Savukaasuja yhteensä 1456 L (NTP) Ilman tarve: 100/21*874 ltr * ilmakerroin 1.1 = 4568 ltr = 4.6 m 3

Palamisreaktioiden päästöt 1. Bensiini ja diesel ovat hiilivetyjä, joten moottoreissa päästöinä syntyy aina hiilidioksidia CO 2 ja vettä H 2 O 2. Osa polttoaineesta ei pala täydellisesti moottorissa, jolloin syntyy hiilimonoksidia CO. Lisäksi pakokaasuihin jää palamattomia hiilivetyjä. 3. Sylinterissä palava kaasu on polttoaineen ja ilman seosta. Ilmassa on 78% typpeä, josta muodostuu polttoaineen palaessa typen oksideja N x O y 4. Polttoaineissa on jonkin verran rikkiä, joka palaa rikkidioksidiksi SO 2. Ilmaan joutuessaan rikkidioksidi aiheuttaa mm. happosateita. Autojen polttoaine Suomessa on lähes rikitöntä.

Auton katalysaattori Bensiinimoottorin katalysaattori on kolmitoimikatalysaattori Dieselmoottorin katalysaattori on kaksitoimikatalysaattori Dieselmoottori toimii ilmaylimäärällä (ilmakerroin > 1), jolloin typen oksidien puhdistaminen ei ole mahdollista. Typen oksidipäästöt ovat eräs syy siihen, miksi dieselautot on haluttu kieltää mm. Saksan eräiden kaupunkien keskustoissa. Toinen syy on dieselin pienhiukkaspäästöt

Kaasun tilavuus muissa lämpötiloissa kuin 0 o C Edellä saatiin savukaasujen NTP tilavuudeksi 1456 litraa. Mikä on savukaasujen todellinen tilavuus kun niiden lämpötila on 400 o C? Oletetaan, että paine on sama (101300 Pa) Kirjoitetaan kaasulaki kahdessa lämpötilassa ja tilavuudessa p V 2 = n R T 2 p V 1 = n R T 1 Jaetaan yhtälöt puolittain => V 2 V 1 = T 2 T 1 Sijoitetaan: T1 = 273 K, T2 = 673 K, V1=1456 L ja ratkaistaan V2 V 2 = V 1 T 2 T 1 = 1456L* 673K 273K = 3589 L = 3.6 m3 TAPA2: Koska savukaasujen moolimäärä n = 26 + 39 = 68 mol tunnetaan, olisi voitu tilavuus laskea suoraan kaavalla V = n R T/p = 68mol*8.31J/molK*673K / 101300Pa = 3.75 m 3. (pieni ero johtuu pyöristyksistä: 1456 L ei ole kovin tarkka tulos)

Reaktiot ja energia Kemiallinen energia voi muuntua monenlaiseksi energiaksi ja sitä voi syntyä mitä erilaisimmissa tilanteissa. Ao. kuva näyttää, että kemiallinen energia voi muuntua esim. sähkö-, lämpö- ja säteily- ja mekaaniseksi energiaksi. Lämpöenergiaa vapauttavaa reaktiota kutsutaan kemiassa eksotermiseksi reaktioksi (hiilen palaminen) ja energiaa sitovaa reaktiota endotermiseksi reaktioksi (typpimonoksidin muodostuminen typestä ja hapesta).

Entalpia eli lämpösisältö Aineen sisältämää kemiallista energiaa sanotaan entalpiaksi. Entalpian symboli on H ja yksikkö joule, J. Entalpianmuutos (ΔH) eli reaktiolämpö määritellään reaktiotuotteiden ja lähtöaineiden entalpioiden kautta. H ilmoitetaan kertoimien ilmoittamia moolimääriä kohti ΔH reaktio = H reaktiotuotteet - H lähtöaineet Eksoterminen reaktio: H < 0 (lämpösisältö pienenee reaktiossa) Endoterminen reaktio: H > 0 (lämpösisältö kasvaa reaaktiossa) Esim1. Neutraloitumisreaktio NaOH:n ja suolahapon HCl välillä on eksoterminen NaOH + HCl => NaCl + H 2 O H = - 57 kj Esim2. Ammoniumnitraatin liukeneminen veteen on endoterminen NH 4 NO 3 + aq => NH 4 + + NO 3 - H = + 26 kj

Entalpia olomuodon muutoksissa Olomuodon muutoksissa entalpiamuutosta sanotaan (mooliseksi) sulamislämmöksi tai höyrystymislämmöksi Reaktiolle H 2 O(l) => H 2 O(g) H (100 o C) = +40.8 kj/mol l = liquid, g = gas Lämpöopissa esitetään veden höyrystymislämpö yksikössä kj/kg. Määritä sen arvo moolisen höyrystymislämmön perusteella. Veden moolimassa M= 18g/mol => mooli vettä painaa 0.018 kg Siten höyrystymislämpö = 40.8 kj/0.018kg = 2260kJ/kg

Miten eri reaktioiden H määritetään Tapa1: Reaktiossa syntyvän tai reaktion sitoman lämpöenergian määrä voidaan mitata kalorimetrisin mittauksin mittaamalla lämpötilamuutoksia eristetyssä tilassa Tapa2: Hessin laki: H ei riipu siitä tapahtuuko reaktio suoraan vai osareaktioiden kautta. Hessin lain avulla voidaan määrittää tuntemattomia reaktiolämpöjä, jos vain tiedetään saman kokonaisreaktion osareaktioiden reaktiolämmöt. Esim. Määritä metaanin muodostumislämpö H reaktiossa C + 2 H 2 => CH 4 Seuraavien palamisreaktioiden reaktiolämmöt tunnetaan: Hiilen palaminen : C + O 2 => CO 2-394 kj Vedyn palaminen: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O - 572 kj Metaanin palaminen CH 4 + 2O 2 => CO 2 + 2H 2 O -890kJ Käännetään viimeinen reaktio toisinpäin: CO 2 + 2H 2 O =>CH 4 + 2O 2 + 890 kj ja lasketaan kaikki puolittain yhteen: C+ 2H 2 + 2O 2 + CO 2 + 2H 2 O => CO 2 + 2H 2 O + CH 4 + 2O 2-76 kj Sievennettynä: C + 2H 2 => CH 4-76kJ (metaanin muodostumislämpö = -76kJ)

Reaktiolämmön laskeminen muodostumislämpötaulukon avulla Yhdisteen muodostumislämpö = energia moolia kohti, joka on vapautunut tai sitoutunut yhdisteen muodostuessa alkuaineista. (Netissä taulukkoja) https://www.thoughtco.com/common-compound-heat-of-formation-table-609253 Asetyleeni C 2 H 2 on kaasuhitsauksessa käytettävä kaasu, jonka muodostumislämpö on 226.7 kj/mol. Määritä asetyleenin palamisen reaktiolämpö H (kj). CO 2 n ja H 2 O :n muodostumislämmöt ovat -393.5 kj/mol ja -241.8 kj/mol, Vapaan alkuaineen (tässä O 2 ) muodostumislämpö = 0 2 C 2 H 2 + 5 O 2 => 4 CO 2 + 2 H 2 O Reaktion reaktiolämpö H on tuotteiden ja lähtöaineiden muodostumislämpöjen erotus, jota laskettaessa otetaan huomioon reaktioyhtälön kertoimet. H = 4mol*(-394.5kJ/mol)+2*(-241.8kJ/mol)-2mol*226.7kJ/mol = -2512 kj

Polttoaineiden lämpöarvot Kalorimetrinen lämpöarvo eli ylempi lämpöarvo vakiotilavuudessa (lyhenne HHV tai HCV) on se lämpöenergian määrä poltettavan aineen massayksikköä kohti, joka vapautuu, kun aine palaa täydellisesti (eli happea on ylimäärä) ja palamistuotteet jäähtyvät 25 C lämpötilaan Tehollinen lämpöarvo kuiva-aineessa (LHV, LCV) (vakiopaineessa (1 bar) on se lämpöenergian määrä, joka vapautuu, kun sekä aineen sisältämän vedyn palamistuotteena syntyvä vesi oletetaan palamisen jälkeen vesihöyryksi. Lisäksi on vielä tehollinen lämpöarvo saapumistilassa (toimitus- /käyttökosteana), joka on alin kolmesta lämpöarvosta. HHC arvon voi laskea kohtuullisen helposti palamisreaktion H -arvosta

Ylemmän lämpöarvon (HHV) laskeminen reaktiolämmöistä Määritettävä hiilen, vedyn ja metaanin ylemmät lämpöarvot, kun tiedetään niiden palamisreaktioiden reaktiolämmöt: Hiilen palaminen : C + O 2 => CO 2-394 kj Vedyn palaminen: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O - 572 kj Metaanin palaminen CH 4 + 2O 2 => CO 2 + 2H 2 O -890kJ a) 1 hiilimoolia ( = 12 g hiiltä) kohden vapautuu 394 kj lämpöä. HHV = 394kJ/0.012 kg = 32 8000 kj/kg = 32.8 MJ/kg b) 2 vetymoolia ( = 2*2g vetyä) kohden vapautuu 572 kj lämpöä. HHV = 572kJ/0.004 kg = 143 000 kj/kg = 143 MJ/kg b) 1 metaanimoolia ( = 16g metaania) kohden vapautuu 890 kj lämpöä. HHV = 890kJ/0.016 kg = 55 600 kj/kg = 55.6 MJ/kg

Reaktionopeuteen vaikuttavat tekijät Reaktiomekanismi: Reaktion A + B => AB tapahtuminen edellyttää hiukkasten A ja B törmäystä riittävällä törmäysenergialla, jota kutsutaan aktivaatioenergiaksi. Reaktion nopeutta lisäävät: 1) aineiden hienojakoisuus (enemmän kosketuspinta-alaa) 2) korkea lämpötila (riittävät törmäysenergiat) 3) korkea paine ( enemmän törmäyksiä aikayksikössä) 4) katalyytin läsnäolo (Katalyytti muuttaa reaktiomekanismia ja alentaa siten aktivaatioenergiaa, mutta ei itse kulu reaktiossa. Luonnon katalysaattori = entsyymi)

Konsentraatio eli väkevyys Määritelmä: Liuoksen / seoksen väkevyys eli konsentraatio c = n / V Sen yksikkö on 1 mol/ l (merk. joskus 1M) symboli = c tai [ ] esim. NaCl -liuoksen väkevyys merkitään c NaCl tai [NaCl] Jatkossa käytämme konsentraatiosta HAKASULKUMERKINTÄÄ: Ts. [ NaOH ] tarkoitaa natriumhydroksidin konsentraatiota (mol/l)

Tasapainoreaktiot Useat reaktiot voivat edetä molempiin suuntiin riippuen olosuhteista. A + B <=> C + D reaktion => nopeus on verrannollinen lähtöaineiden konsentraatiohin v 1 = k 1 [A] [B] ja se pienenee reaktion edetessä. Vastareaktion <= nopeus on verrannollinen tuotteiden konsentraatioihin. v 2 =k 2 [C] [D] ja se kasvaa reaktion edetessä. Kun reaktio hidastuu ja vastareaktion nopeutuu, saavutetaan jossain vaiheessa tilanne, jossa v 1 =v 2, reaktio on näennäisesti pysähtynyt, vaikka molemmat reaktiot jatkuvat. Tilaa kutsutaan dynaamiseksi tasapainoksi.

TASAPAINOVAKIO K Otetaan mukaan reaktioyhtälön kertoimet a,b,c,d : a A + b B => c C + d D Tasapainotilanteessa v 1 = v 2 k 1 [A] a [B] b k 1 /k 2 = K = [C]c [D] d [A] a [B] b eli = k 2 [C] c [D] d josta Tätä vakiota K sanotaan reaktion tasapainovakioksi ja se on kullekin reaktiolle ominainen. Jos K on suuri, reaktio etenee pitkälle, jos K on pieni, reaktion tasapaino jää lähtöaineiden puolelle. Myöhemmin esille tulevat happo- ja emäsvakiot ovat em. kaltaisia tasapainovakioita.

Reaktion tasapainoon vaikuttavat tekijät 1. Lähtöaineita lisäämällä voidaan reaktio käynnistää oikealle. 2. Tuotteita poistamalla seoksesta saadaan reaktio etenemään oikealle. 3. Lämpötilan lisääminen saa reaktion etenemään lämpöä sitovaan endotermiseen suuntaan ja lämpötilan alentaminen eksotermiseen. 4. Paineen lisääminen saa kaasureaktiot etenemään pienemmän hiukkasmäärän suuntaan. Esim. 3 H 2 + N 2 => 2 NH 3 on kaasureaktio, jossa 4 hiukkasesta tulee 2. Paineen kohottaminen siten edistää reaktiota. Le Chatellierin periaate: Reaktio etenee suuntaan, jossa ulkoinen muutos eliminoituu. Reaktio väistää ulkoista pakkoa.