1.1 Homogeeninen kemiallinen tasapaino 1. a) Mitä tarkoittaa käsite kemiallinen tasapaino? b) Miten kemiallinen tasapaino ilmaistaan reaktioyhtälössä? c) Mistä tekijöistä tasapainossa olevan reaktioseoksen koostumus riippuu? a) Kemiallisessa tasapainossa etenevä ja käänteinen reaktio tapahtuvat yhtä aikaa ja molempien reaktionopeudet ovat yhtä suuret. Tasapainossa lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden konsentraatiot eivät muutu. b) Lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden välissä on kaksisuuntainen nuoli. c) Tasapaino riippuu reaktiosta, alkukonsentraatioista, paineesta ja lämpötilasta.. Ovatko seuraavat tasapainossa olevat seokset homogeenisiä vai heterogeenisiä: a) protoninsiirtoreaktio muurahaishapon vesiliuoksessa: HCOOH(aq) + HO(l) HCOO (aq) + H3O + (aq) b) veteen niukkaliukoisen kipsin CaSO4 liukeneminen veteen: CaSO4(s) Ca + (aq) + SO4 (aq) c) eteenin hydraus suljetussa astiassa: CH4(g) + H(g) CH6(g) d) hiilidioksidin reaktio veden kanssa suljetussa virvoitusjuomapullossa: O(g) + HO(l) HCO3(aq)? a) Kaikki reagoivat aineet ovat veteen liuenneina eli samassa faasissa, joten seos on homogeeninen. b) Seoksessa on kiinteää kipsiä ja veteen liuenneita ioneja, joten siinä on kaksi faasia ja seos on heterogeeninen. c) Kaikki reagoivat aineet ovat kaasuja eli samassa faasissa, joten reaktioseos on homogeeninen. d) Seoksessa on kaasumaisessa olomuodossa olevaa hiilidioksidia ja nestemäistä hiilihapon vesiliuosta, joten siinä on kaksi faasia ja seos on heterogeeninen.
3. Tarkastellaan esteröitymisreaktiota CH3CHCOOH + CH3OH CH3CHCOOCH3 + HO. Alkutilanteessa propaanihappoa on 1,0 mol ja metanolia 0,50 mol, ja reaktio etenee tasapainotilaan. Ovatko seuraavat reaktion tasapainotilaa koskevat väitteet tosia vai epätosia: tasapainossa a) reaktio on pysähtynyt b) metanoli on kulunut loppuun c) sekä propaanihapon että metyylipropanaatin konsentraatiot pysyvät muuttumattomina d) muodostunut vesi pysäyttää reaktion e) käänteisen reaktion nopeus tulee nollaksi? a) epätosi b) epätosi c) tosi d) epätosi e) epätosi 4. Oheiset kuvaajat liittyvät samaan reaktioon. Tutki kuvaajia ja tee seuraavat tehtävät: a) Mitkä ovat vasemmanpuoleisen ja mitkä oikeanpuoleisen kuvion akselit? b) Kumpi, NO vai NO4, on reaktion lähtöaine ja kumpi reaktiotuote? c) Kirjoita tämän tasapainoreaktion reaktioyhtälö. d) Merkitse molempiin kuvioihin ajanhetki, jolloin reaktioseos saavuttaa tasapainotilan. e) Mitkä suureet pysyvät muuttumattomina tasapainotilassa? f) Mitkä suureet ovat yhtä suuret tasapainotilassa? g) Miksi vasemmanpuoleisessa kuviossa ennen tasapainon saavuttamista NO:n kuvaaja nousee jyrkemmin kuin NO4 :n kuvaaja laskee?
a) asemmanpuoleisessa kuviossa x-akselina on aika ja y-akselina reaktion ja sen käänteisreaktion nopeus. Oikeanpuoleisessa kuviossa x-akselina on aika (reaktion eteneminen) ja y-akselina lähtöaineen ja reaktiotuotteen konsentraatio. b) asemmanpuoleisen kuvion mukaan NO4 on lähtöaine, koska sen konsentraatio reaktion edetessä pienenee. NO on reaktiotuote, koska sen konsentraatio reaktion edetessä suurenee. c) NO4(g) NO(g). d) Ajanhetki merkitään molemmissa kuvioissa kohtaan, jossa kuvaajat ovat juuri kääntyneet aika-akselin suuntaisiksi. e) Tasapainotilassa lähtöaineen ja reaktiotuotteen konsentraatiot pysyvät muuttumattomina. f) Tasapainotilassa reaktion ja käänteisreaktion reaktionopeudet ovat yhtä suuret. g) Kuvaajassa on esitetty reaktionopeus ajan funktiona. Reaktioyhtälön kertoimista nähdään, että NO:n muodostumisnopeus on kaksinkertainen NO4:n hajoamisnopeuteen verrattuna. Toisin sanottuna NO:n kuvaaja nousee jyrkemmin kuin NO4 :n kuvaaja laskee. 1. Massavaikutuksen laki 5. Kirjoita seuraavien reaktioiden tasapainovakioiden lausekkeet ja päättele tasapainovakion yksikkö: a) otsonin hajoaminen: O3(g) 3 O(g) b) etaanin dehydraus eteeniksi: CH6(g) CH4(g) + H(g) c) vedyn valmistus metaanista: CH4(g) + HO(g) CO(g) + 3 H(g) d) typpihapon synteesin ensimmäinen vaihe, jossa ammoniakki hapetetaan ilman hapella kovassa paineessa: 4 NH3(g) + 5 O(g) 4 NO(g) + 6 HO(g) e) hopea(i)ioni muodostaa kompleksiyhdisteen ammoniakin vesiliuoksessa: Ag + (aq) + NH3(aq) Ag(NH3) + (aq).
a) K = [ ] 3 O [ O 3 ] b) K = [ C ] [ ] H4 H [ CH6 ] c) K = [ ] [ ] 3 CO H [ CH4 ] [ HO] d) K = [ ] 4 [ ] 6 NO HO 4 5 [ NH ] [ O ] e) K = + Ag ; yksikkö M 3 Ag(NH ) + 3 [ NH ] 3 ; yksikkö M ; yksikkö M ; yksikkö M ; yksikkö 1/M = M 6. Kirjoita tasapainovakion lauseke, jos tasapaino on homogeeninen. a) kalkkikiven CaCO3 hajoaminen 800 C:ssa suljetussa uunissa: CaCO3(s) CaO(s) + CO(g) b) fruktoosin avoketjuisen muodon muuttuminen rengasrakenteiseksi vesiliuoksessa: OH O O OH OH OH HO (aq) HO (aq) HO OH HO OH c) rauta(iii)oksidin raudan pelkistyminen masuunissa metalliseksi raudaksi: FeO3(s) + 3 CO(g) Fe(l) + 3 CO(g) Tasapainot a ja c ovat heterogeenisiä, koska tasapainossa a on kaksi faasia ja tasapainossa c kolme faasia. Tasapaino b on homogeeninen ja sen tasapainovakion lauseke on fruktoosin rengasrakenteinen muoto K = [ ] [ fruktoosin avoketjuinen muoto]
7. etysulfidin hajoamisreaktion HS(g) H(g) + S(g) tasapainovakio on 1130 C:n lämpötilassa,3 10 4 M. a) Kumpia tasapainoseoksessa on enemmän: lähtöaineita vai reaktiotuotteita? b) Mikä on reaktion H(g) + S(g) HS(g) tasapainovakio samassa lämpötilassa? a) Tasapainovakio on paljon pienempi kuin yksi, joten tasapainoseoksessa on reilusti enemmän lähtöaineita kuin reaktiotuotteita. b) K = 1 1 = 4300M 4 K,3 10 M 1 1 8. a) Reaktion H(g) + I(g) HI(g) tasapainovakion arvo riippuu lämpötilasta seuraavasti: K = 794, kun lämpötila on 5 C K = 160, kun lämpötila on 30 C. Kummassa lämpötilassa tasapainossa on enemmän vetyjodidia? b) Jodin hajoamisreaktion I(g) I(g) tasapainovakion arvo riippuu lämpötilasta seuraavasti: K = 3,1 10 5 mol/l, kun lämpötila on 530 C K = 6,8 10 mol/l, kun lämpötila on 930 C. Kummassa lämpötilassa jodia hajoaa enemmän? a) etyjodidia on enemmän 5 C:ssa. Mitä suurempi K on, sitä enemmän tasapainossa on vetyjodidia. b) Jodia hajoaa enemmän 930 C:ssa, koska ko. lämpötil assa tasapainovakio on suurempi. 9. a) Rikkihappoa valmistettaessa rikkidioksidi hapetetaan rikkitrioksidiksi 730 C:ssa: SO (g) + O(g) SO3(g). Eräässä valmistusprosessin energiatehokkuuden parantamiseen tähtäävässä mittauksessa tasapainoseoksen konsentraatiot olivat [SO] = 1,44 M, [O] = 1,98 M ja [SO3] = 0,410 M. Laske reaktion tasapainovakio 730 C:s sa. b) Mitä johtopäätöksiä tasapainovakion avulla voidaan tehdä reaktion saannosta? a) Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot reaktion tasapainovakion lausekkeeseen: [ SO 3 ] ( 0,410 M) -1 K = = =0,0409 M SO O 1,44 M 1,98 M [ ] [ ] ( ) b) Tasapainovakio on suhteellisen pieni, joten reaktion tasapaino on lähtöaineiden puolella ja saanto on pieni. Sama päätelmä olisi voitu tehdä jo tasapainokonsentraatioista.
10. Reaktion PCl3(g) + Cl(g) PCl5(g) tasapainovakion määrittämistä varten suljettiin 1,00 mol fosforitrikloridia ja,00 mol klooria 3,0 litran tyhjiöityyn astiaan. Kun tasapaino oli saavutettu, todettiin reaktioseoksessa olevan fosforitrikloridia jäljellä 0,70 mol. Laske reaktion tasapainovakio mittauslämpötilassa. Ratkaisu Kirjoitetaan reaktio, lähtöarvot ja lasketaan muutokset taulukkoon PCl3(g) + Cl(g) PCl5(g) n alussa (mol) 1,00,00 0 n:n muutos (mol) 0,30 0,30 +0,30 n tp:ssa (mol) 0,70 1,70 0,30 konsentraatio tp:ssa l 0,70 3,0 1,70 3,0 0,30 3,0 Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot tasapainovakion lausekkeeseen ja lasketaan tasapainovakion arvo 0,30 mol [PCl 5] 3,0 l l l K = = = 0,7563... 0,76 [PCl 0,70 mol 1,70 mol 3] [Cl ] mol mol 3,0 l 3,0 l 11. Tutkija halusi selvittää, joko reaktio H(g) + I(g) HI(g) oli saavuttanut tasapainotilan. Reaktion tasapainovakio lämpötilassa 30 C on 160. Tutkija otti näytteen reaktioseoksesta ja määritti reaktioseoksen koostumuksen. Näytteen lämpötila oli koko analyysin ajan 30 C. Reaktiose oksen analyysitulokset eli hetkelliset konsentraatiot olivat seuraavat: [H] = 4,8 mmol/l, [I] =,4 mmol/l ja [HI] =,4 mmol/l. Oliko reaktio tasapainossa? Jos se ei ollut, oliko reaktio etenemässä vetyjodidin vai vedyn ja jodin suuntaan? Ratkaisu Sijoitetaan hetkelliset konsentraatiot tasapainovakion lausekkeeseen: mmol,4 [ HI] l K(testaus) = = = 0,50 < 160, joten reaktio ei ollut [ H ] [ I ] mmol mmol 4,8,4 l l tasapainossa. Jotta 0,50 kasvaisi arvoon 160, täytyy vetyjodidin konsentraation kasvaa ja vedyn ja hapen konsentraatioiden pienentyä eli reaktion edetä reaktiotuotteen eli vetyjodidin suuntaan.
1. Reaktion H(g) + I(g) HI(g) tasapainovakio lämpötilassa 448 C on 50,5. Astiaan, jonka tilavuus oli,00 l, suljettiin 0,00 mol HI, 0,010 mol H ja 0,030 mol I. Mihin suuntaan reaktio etenee 448 C:ssa? Ratkaisu Hetkelliset alkukonsentraatiot ovat: n 0,00 mol [HI] = = = 0,010 M,00 l 0,010 mol [H ] = = 0,0050 M,00 l 0,030 mol [I ] = = 0,015 M,00 l [HI] (0,010 M) K(testaus) = = = 1,333... 1,3 < 50,5 [H ][I ] 0,0050 M 0,015 M Jotta 1,3 kasvaisi arvoon 50,5, täytyy vetyjodidin konsentraation kasvaa ja vedyn ja jodin konsentraatioiden pienentyä. Näin käy, kun reaktio tapahtuu vetyjodidin suuntaan. 13. Metanolia valmistetaan teollisesti hiilimonoksidista ja vedystä: CO(g) + H(g) CH3OH(g). Reaktion tasapainovakio 10 C:ssa on 14,5 M. Laske vedyn tasapainokonsentraatio 10 C:ssa, kun tasapainoseoksessa [CO] = 1,03 M ja [CH3OH] = 1,56 M. Ratkaisu [CH OH] 1,56 M 1 14,5,josta 3 K = = = [CO] [H ] 1,03 M [H ] M 1,56 [H ] = = 0,1044...M 1 14,5 1,03 M = ± = [H ] ( ) 0,1044...M 0,331...M 0,33 M
14. Kun reaktio SO(g) + NO(g) SO3(g) + NO(g) on asettunut tasapainoon suljetussa astiassa, reaktioseos sisältää 0,60 mol SO3:a, 0,10 mol NO:ta, 0,80 mol SO:ta ja 0,40 mol NO:ta. Kuinka suuri ainemäärä typpimonoksidia on lisättävä tähän tasapainoseokseen, jotta saavutettaisiin uusi tasapainotila, jossa on 0,30 mol typpidioksidia? Kummankin tasapainoseoksen lämpötila on sama. Ratkaisu Lasketaan tasapainovakio. Olkoon reaktioseoksen tilavuus. mol mol 0,60 0,40 [SO 3] [NO] K = = = 3,0 [SO mol mol ] [NO ] 0,80 0,10 SO(g) + NO(g) SO5(g) + NO(g) n alussa (mol) 0,80 0,10 0,60 0,40 + x n:n muutos + 0,0 +0,0 0,0 0,0 (mol) n tp:ssa (mol) 1,00 0,30 0,40 0,0 + x konsentraatio 1,00 0,30 0,40 0,0 + x tp:ssa l K on yksikötön ja supistuu pois, joten yhtälön Ratkaisun helpottamiseksi yksiköt on jätetty kirjoittamatta. n alussa riviltä nähdään, että x:n yksikkö on mol. (0,0 + x) 0,40 K = = 3,0 1,00 0,30 0,080 + 0,40x = 0,90 x =,05 mol Typpimonoksidia pitää lisätä,05 mol.
15. a) Kun etanoli ja butaanihappo reagoivat keskenään happokatalyytin läsnä ollessa, muodostuu hedelmäisen tuoksuinen yhdiste, jota on mm. ananaksessa. Laadi reaktion yhtälö. b) Kuinka suuri osa mooli-%:eina haposta reagoi tuotteeksi, kun,0 mol happoa ja 5,0 mol alkoholia reagoi keskenään liuoksessa, joka sisältää 9,0 mol vettä? Reaktion tasapainovakio on 5,0. (alintakoetehtävä 006) O a) O H H O O O H O b) happokatalyytti n alussa (mol) n:n muutos (mol) n tp:ssa (mol) konsentraatio tp:ssa mol ( 3 dm ) CH3CHCHCOO + CH3CHO CH3CHCHCOOCHC + HO H H H3,0 5,0 0 9,0 x x +x +x,0 x 5,0 x x 9,0 + x,0 x 5,0 x x 9,0 + x = reaktioseoksen tilavuus K on yksikötön ja supistuu pois, joten yhtälön Ratkaisun helpottamiseksi yksiköitä ei ole mielekästä kirjoittaa K:n lausekkeeseen. n:n muutos -riviltä nähdään, että x:n yksikkö on mol. x 9,0 + x [ esteri ] [ vesi ] x ( 9,0 + x) K = = = = 5,0,josta [ butaanihappo ] [ etanoli ],0 x 5,0 x (,0 x)( 5,0 x) ) 9,0x + x = 50 35x + 5,0x 4,0x 44x + 50 = 0 Laskimella: x = 1,86 mol (tai x = 9,713 mol, mahdoton) Haposta reagoi 1,86...mol 100,0mol mol-% 64 mol-%.
16. Reaktion SO3(g) SO(g) + O(g) tasapainovakio on 3,5 10 3 mol/dm 3 lämpötilassa 1000 K. Tasapainoseoksessa oli 1000 K:n lämpötilassa 3,0 mol rikkitrioksidia ja,0 mol happea, ja reaktioastian tilavuus oli 5,0 dm 3. Mikä oli rikkidioksidin ainemäärä tasapainoseoksessa? Ratkaisu Merkitään rikkidioksidin ainemäärää tasapainoseoksessa x:llä. Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot tasapainovakion lausekkeeseen ja ratkaistaan x. x,0 mol 3 3 [SO ] [O ] 5,0 dm 5,0dm 3 mol K = = = 3,5 10 3 [SO 3 ] 3,0 mol dm 3 5,0dm 1 3 mol x 0,0444... = 3,5 10 3 mol dm dm 3 3,5 10 x = mol,josta x = ( ± ) 0,07875 mol 0,0444... x = 0,806...mol 0,8 mol Rikkidioksidin ainemäärä tasapainoseoksessa oli 0,8 mol. 17. Dityppitetraoksidin ja typpidioksidin välillä vallitsee tasapaino: NO4(g) NO(g). Kun 0,0 moolia dityppitetraoksidia NO4 suljettiin 10,0 litran astiaan ja lämmitettiin 100 C:n lämpötilaan, oli astiassa tasapainon asetu ttua 0,30 moolia NO. Mikä on NO:n ainemäärä tasapainon asetuttua 1,00 litran astiassa, kun siihen suljetaan 0,0 moolia NO4 ja se lämmitetään 100 C:seen? Ratkaisu Kirjoitetaan reaktio, lähtöarvot ja lasketaan muutokset taulukkoon Reaktioyhtälö NO4(g) NO(g) n alussa (mol) 0,0 0 n:n muutos (mol) ½ 0,30 +0,30 n tp:ssa (mol) 0,05 +0,30 konsentraatio tp:ssa (mol/l) = 10,0 l 0,005 0,030 Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot tasapainovakion lausekkeeseen ja lasketaan tasapainovakion arvo 100 C:ssa K = [ ] mol NO (0,030 ) l mol 0,18 [ NO4 ] = mol = 0,005 l l
Lasketaan NO:n ainemäärä 1,00 litran astiassa. Kirjoitetaan reaktio, lähtöarvot ja lasketaan muutokset taulukkoon Reaktioyhtälö NO4(g) NO(g) n alussa (mol) 0,0 0 n:n muutos (mol) x +x n tp:ssa (mol) 0,0 x x konsentraatio tp:ssa (mol/l) = 1,00 l 0,0 x x Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot tasapainovakion lausekkeeseen ja ratkaistaan x. Yhtälön Ratkaisun helpottamiseksi yksiköitä ei ole mielekästä kirjoittaa K:n lausekkeeseen. n:n muutos riviltä nähdään, että x:n yksikkö on mol. K = [ ] NO ( x) = = 0,18, josta N O 0,0 x [ ] 4 4x + 0,18x 0,036 = 0 Laskimella: x = 0,075 mol (tai x = 0,1 mol, mahdoton) Lasketaan NO:n ainemäärä tasapainoseoksessa n(no) = x = 0,075 mol = 0,15 mol 18. Tyhjiöityyn 0,37 litran astiaan suljettiin 4,0 mmol dityppitetraoksidia. Tasapainon asetuttua lämpötilassa 5 C oli ainee n hajotessa muodostuneen typpidioksidin paine 40,0 kpa (= 0,400 bar). Laske reaktion NO4(g) NO(g) tasapainovakion arvo kyseisessä lämpötilassa. (Yo s1990) Ratkaisu Lasketaan typpidioksidin ainemäärä tasapainoseoksessa 3 N 3 3 40,0 10 0,37 10 m p n(no m ) = = RT J 8,3145 (73,15 + 5) K mol K 3 = 6,00... 10 mol 3 6,00 10 mol
Kirjoitetaan reaktio, lähtöarvot ja lasketaan muutokset taulukkoon NO4(g) NO(g) n alussa (mol) 4,0 10 3 0 n:n muutos ½ 6,00 10 3 + 6,00 10 3 (mol) n tp:ssa (mol) 1,0 10 3 6,00 10 3 konsentraatio 3 1,0 10 3 6,00 10 tp:ssa l 0,37 0,37 Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot tasapainovakion lausekkeeseen ja lasketaan tasapainovakion arvo 5 C:ssa K K [NO ] [N O ] = = 4 3 6,00 10 mol 0,37 l mol = l mmol = 4,61 l 3 1,0 10 mol 0,37 l 3 4,608 10 4,61 mmol l 19. Typpidioksidi dimeroituu helposti dityppitetraoksidiksi. Lämpötilassa 100 C todettiin tasapainotilan vallitessa 1,0 litran reaktioastian sisältävän 0,0 moolia NO(g) ja 0,0 moolia NO4(g). Mitkä ovat näiden kaasujen ainemäärät, kun astian tilavuus muutetaan 0,50 litraksi ja tasapainotila jälleen asettuu? (Yo s005) Ratkaisu 1) Lasketaan tasapainovakio NO(g) NO4(g) konsentraatio tp:ssa l 0,0 0,0 mol 0,0 [NO 4 ] l K = = l = 5,0 [NO ] mol 0,0 l
) Lasketaan ainemäärät tilavuuden muutoksen jälkeen asettuvassa tasapainossa. Kirjoitetaan reaktio, lähtöarvot ja lasketaan muutokset taulukkoon. NO(g) NO4(g) n alussa (mol) 0,0 0,0 n:n muutos x + x (mol) n tp:ssa (mol) 0,0 x 0,0 + x konsentraatio 0,0 x 0,0 + x tp:ssa 0,50 0,50 l = 0,40 4,0x = 0,40 +,0x Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot tasapainovakion lausekkeeseen ja ratkaistaan x. Yksiköitä ei ole mielekästä kirjoittaa K:n lausekkeeseen yhtälön Ratkaisun helpottamiseksi. n:n muutos riviltä nähdään, että x:n yksikkö on mol. 0, 40 +,0x K = = 5,0 ( 0, 40 4,0x) 0, 40 +,0x 0,16 3,x + 16x 0,80 16 80 0,40,0 x 80 18 0,40 0 = 5,0 x + x = + x x + = laskimella: x = 0,05 mol (toinenratkaisu, x = 0,0 mol, on mahdoton, koska 0,0 mol = 0,40 mol > 0,0 mol, eli lähtöaine loppuu kesken) 3) Ainemäärät tasapainossa: n(no) = 0,0 mol x = 0,0 mol 0,05 mol = 0,15 mol n(no4) = 0,0 mol + x = 0,0 mol + 0,05 mol = 0,5 mol 0,3 mol 0. Korkeassa lämpötilassa vetyjodidi dissosioituu seuraavasti: HI(g) H(g) + I(g) a) Eräs tasapainoseos sisälsi 3,0 mol vetyjodidia, 0,3 mol jodia ja 0,5 mol vetyä. Tähän seokseen lisättiin 0,0 moolia jodia. Mikä oli seoksen koostumus astiassa, kun tasapainotila oli jälleen asettunut? b) Osoita, että muodostuva tasapaino ei riipu reaktioastian tilavuudesta. (Yo s004)
a) 1) Lasketaan tasapainovakio. Reaktioastian tilavuus on. HI(g) H(g) + I(g) n tp:ssa (mol) 3,0 0,5 0,3 konsentraatio 3,0 0,5 0, tp:ssa l mol mol 0,5 0,3 [H ] [I ] 0,5 0,3 K = = = = 0,0184... [HI ] ( 3,0) 3,0 b) Tilavuus supistuu, joten tasapaino ei riipu reaktioastian tilavuudesta. ) Lasketaan ainemäärät jodin lisäyksen jälkeen asettuvassa tasapainossa. Kirjoitetaan reaktio, lähtöarvot ja lasketaan muutokset taulukkoon. HI(g) H(g) + I(g) n alussa (mol) 3,0 0,5 0,3 + 0,0 = 0,5 n:n muutos (mol) + x x x * n tp:ssa (mol) 3,0 + x 0,5 x 0,5 x konsentraatio 3,0 + x 0,5 x 0,5 x tp:ssa l * Reaktiotuotteen lisääminen tasapainoseokseen siirtää tasapainoaseman lähtöaineiden suuntaan. Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot tasapainovakion lausekkeeseen ja ratkaistaan x. a-kohdan mukaan K on yksikötön ja supistuu pois, joten yhtälön Ratkaisun helpottamiseksi K:n lausekkeessa ei ole mielekästä kirjoittaa yksiköitä näkyvin. n:n muutos riviltä nähdään, että x:n yksikkö on mol. ( 0,5 x) ( 3,0 x) K = = 0,0184 Yhtälö voidaan ratkaista ottamalla sen molemmista puolista neliöjuuri, jolloin 0,5 x = ± 0,0184 = ± 0,1351 3,0 + x 0,5 x = 0,1351 (3,0 + x) tai 0,5 x = 0,1351 (3,0 + x) 0,5 x = 0,4080 + 0,70x) tai 0,5 x = 0,4080 0,70x) 1,70x = 0,110 tai 0,798x = 0,980 x = 0,08818 mol (tai x = 1,7 mol > 0,0; mahdoton)
Yhtälö voidaan ratkaista myös ratkaisukaavan avulla. Normaalimuotoon sievennetty yhtälö on 0,9704 x 1,604 x + 0,1039 = 0. 3) Seoksen koostumus n(hi) = 3,0 mol + x = 3,0 mol + 0,08818 mol = 3, mol n(h) = n(i) = 0,5 mol x = 0,5 mol 0,08818 mol 0,43 mol 1.3 Tasapainoon vaikuttavia tekijöitä 1. Metanolia valmistetaan teollisesti hiilimonoksidista ja vedystä: CO(g) + H(g) CH3OH(g) H 0 < 0 Reaktioseos on tasapainossa. Mihin suuntaan reaktio tapahtuu, kun a) reaktioastiasta poistetaan metanolia b) vetykaasua lisätään reaktioastiaan c) painetta lisätään pienentämällä reaktioastian tilavuutta d) reaktioastian lämpötilaa nostetaan? a) Reaktiotuotteen poistaminen siirtää tasapainon reaktiotuotteen suuntaan b) Lähtöaineen lisääminen siirtää tasapainon reaktiotuotteen suuntaa. c) Paineen suurentaminen tilavuutta pienentämällä siirtää tasapainon reaktiotuotteen suuntaan, jossa kaasujen kokonaisainemäärä on pienempi. d) Lämpötilan nostaminen siirtää tasapainon lähtöaineiden suuntaan (endotermiseen suuntaan), koska etenevä reaktio on eksoterminen.
. Rikkidioksidin hapettaminen rikkitrioksidiksi on välivaihe valmistettaessa rikkihappoa: SO(g) + O(g) SO3(g) H 0 = 197 kj. Millä keinoilla rikkitrioksidin saanto saadaan mahdollisimman suureksi? a) Lämpötilaa alentamalla. (Reaktio on rikkidioksidin suuntaan eksoterminen.) b) Poistamalla rikkitrioksidia sitä mukaa, kun sitä syntyy. (Reaktiotuotteen poistaminen siirtää tasapainon reaktiotuotteen suuntaan.) c) Lisäämällä jompaakumpaa lähtöainetta sen jälkeen, kun reaktio on asettunut tasapainoon. (Lähtöaineen lisääminen siirtää tasapainon reaktiotuotteiden suuntaan.) d) Lisäämällä painetta. (Paineen lisääminen siirtää tasapainon suuntaan, jossa kaasujen kokonaisainemäärä on pienempi) 3. etyä valmistetaan teollisesti hiilimonoksidista ja vesihöyrystä korkeassa lämpötilassa seuraavasti: CO(g) + HO(g) H(g) + CO(g). Reaktioseos on tasapainossa. Miten vedyn ainemäärä muuttuu, kun a) hiilidioksidia poistetaan reaktioseoksesta b) vesihöyryä lisätään reaktioseokseen c) painetta lisätään pumppaamalla reaktioseokseen heliumkaasua d) painetta lisätään pienentämällä reaktioastian tilavuutta e) lämpötilaa lasketaan (reaktio on eksoterminen)? a) edyn ainemäärä kasvaa. (Reaktiotuotteen poistaminen siirtää tasapainon reaktiotuotteen suuntaan.) b) edyn ainemäärä kasvaa. (Lähtöaineen lisääminen siirtää tasapainon reaktiotuotteen suuntaa.) c) edyn ainemäärä ei muutu. (Kaasujen kokonaisainemäärä ei muutu, joten paine ei vaikuta tasapainoasemaan) d) edyn ainemäärä kasvaa. (Lämpötilan laskeminen siirtää tasapainoa eksotermiseen suuntaan.) 4. Erään teollisen tuotteen valmistuksessa lähtöaine A on kallista ja lähtöaine B halpaa. Tuotteen valmistuskustannukset alenevat, jos kallista lähtöainetta ei tarvitse erottaa ja ottaa talteen reaktioseoksesta. Millä järjestelyllä on mahdollista saada aine A mahdollisimman tarkkaan käytetyksi ja tuotteen hinta halvemmaksi? Ratkaisu Lisäämällä tasapainoseokseen halpaa lähtöainetta B niin paljon, että kallis lähtöaine A tulee käytetyksi loppuun.
5. Lämpötilassa 5 C reaktion N O4(g) NO(g) tasapainovakio on 5,8 10 3 mol/dm 3 ja lämpötilassa 35 C tasapainovakio on 1,6 10 mol/dm 3. Onko dityppitetraoksidin hajoaminen endo- vai eksoterminen reaktio? Ratkaisu Tasapainovakio kasvaa eli tasapainoasema siirtyy reaktiotuotteen suuntaan lämpötilan noustessa, joten dityppitetraoksidin hajoaminen on endoterminen reaktio. (Sovellettu periaatetta: lämpötilan nousu siirtää tasapainoa endotermiseen suuntaan.) 6. a) Tasapainovakion arvo pienenee lämpötilan noustessa. Onko reaktio endo- vai eksoterminen? b) Katalyytti ei vaikuta tasapainoasemaan. Miksi kuitenkin katalyytit ja biokatalyytit eli entsyymit ovat kemistien ja luonnon keskeisiä työkaluja? a) Reaktio on eksoterminen. (Sovellettu periaatetta: lämpötilan noustessa eksotermisen reaktion tasapainovakio pienenee ja endotermisen reaktion tasapainovakio kasvaa.) b) Katalyytit ja entsyymit nopeuttavat kemiallisia reaktioita alentamalla aktivoitumisenergiaa. Katalyyttejä käyttämällä reaktio etenee esimerkiksi tasapainotilaan kohtuullisessa ajassa. 7. Reaktion HS (g) H(g) + S(g) tasapainovakio 1130 C:ssa on,3 10 4 mol/dm 3 ja 100 C:ssa on 4, 10 4 mol/dm 3. Mitkä tasapainoa koskevat väitteet ovat tosia? a) Reaktio on vetysulfidin hajoamisen suuntaan endoterminen. b) Jos vähennetään seoksen painetta tilavuutta suurentamalla, vetykaasun konsentraatio kasvaa. c) Jos käytetään katalyyttiä, kasvaa sekä vetykaasun että rikkikaasun konsentraatio. d) Jos käytetään katalyyttiä, tasapainoasema saavutetaan nopeammin. e) Jos seokseen lisätään vetykaasua, rikkikaasun konsentraatio kasvaa. f) Jos nostetaan lämpötilaa, syntyy enemmän vetysulfidia.
Tosia ovat väitteet a, b, d ja f. Perustelut: a) Tasapainovakio kasvaa eli tasapainoasema siirtyy vedyn ja rikin suuntaan lämpötilan noustessa. Koska lämpötilan nousu siirtää tasapainoa aina endotermiseen suuntaan, niin reaktio on vetysulfidin hajoamisen suuntaan endoterminen eli väite on tosi. b) Paineen pienentäminen tilavuutta suurentamalla siirtää tasapainoa suuntaan, jossa kaasujen kokonaisainemäärä kasvaa. Kaasujen ainemäärä on reaktiotuotteiden puolella suurempi, joten väite on tosi. c) Katalyytti ei vaikuta tasapainoasemaan, joten väite on epätosi. d) Katalyytti nopeuttaa yhtä paljon sekä etenevää että käänteisreaktiota, joten väite on tosi. e) Reaktiotuotteen lisääminen siirtää tasapainon lähtöaineen suuntaan, eli väite on epätosi. f) Hajoamisreaktion tasapainovakio on suurempi korkeammassa lämpötilassa, joten väite on tosi. 8. Reaktiota N(g) + O(g) NO(g) voidaan havainnollistaa oheisessa kuvassa esitetyllä tavalla. a) Mitä kuvaajat kertovat reaktionopeuksista? b) Jäljennä kuva vihkoosi ja osoita piirtämällä. Miten kuvaajat muuttuvat, kun reaktioseokseen lisätään katalyytti? a) Kuvaajat kertovat, että alkutilanteessa reaktioastiassa on vain typpi- ja happikaasuja. Etenevän reaktion nopeus on aluksi suurimmillaan ja se pienenee (lähtöaineiden kuluessa). Käänteisreaktion nopeus on aluksi nolla ja nopeus kasvaa reaktion edetessä. Kun nopeudet ovat yhtä suuret, reaktio on saavuttanut tasapainoaseman, eivätkä nopeudet enää muutu.
b) Katalyytti nopeuttaa molempia reaktioita. Tämä vaikuttaa kahteen asiaan: 1) Tasapaino saavutetaan nopeammin, joten käyrien kohtaaminen tapahtuu aikaisemmin. ) Tasapainossa reaktionopeudet molempiin suuntiin ovat suuremmat, joten tasapainonopeuksia kuvaava vaakasuora kuvaajanosa siirtyy ylemmäksi. 9. Ammoniakkia valmistetaan teollisesti Haber-Boschin menetelmällä reaktion N(g) + 3 H(g) NH3(g) H 0 = 9 kj mukaisesti. a) Miten reaktio-olosuhteita muuttamalla voidaan vaikuttaa ammoniakin saantoon? b) Kun,0 litran astiaan suljettiin 1,0 mol typpeä ja 3,0 mol vetyä, oli muodostuneen ammoniakin ainemäärä tasapainona asetuttua 1,0 mol. Laske reaktion tasapainovakion arvo kokeen lämpötilassa. a) Ammoniakin saantoon voidaan vaikuttaa kahdella tavalla. 1) Ammoniakin saanto kasvaa, kun paine reaktorissa on mahdollisimman suuri. Paineen suurentaminen siirtää tasapainoa suuntaan, jossa kaasujen kokonaisainemäärä on pienempi eli ammoniakin suuntaan. ) Ammoniakin saanto kasvaa, kun lämpötila on mahdollisimman alhainen. Lämpötilan laskeminen siirtää tasapainoa eksotermisen reaktion suuntaan eli ammoniakin puolelle. Käytännössä lämpötila ei voi olla kovin alhainen, koska reaktionopeus olisi pieni ja ammoniakin valmistaminen olisi hidasta ja kallista. b) Kirjoitetaan reaktio, lähtöarvot ja lasketaan muutokset taulukkoon. N(g) + 3 H(g) NH3(g) n alussa (mol) 1,0 3,0 0 n:n muutos (mol) ½ 1,0 3/ 1,0 + 1,0 n tp:ssa (mol) 0,5 1,5 1,0 konsentraatio 0,5 0,75 0,50 tp:ssa l =,0 l
Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot tasapainovakion lausekkeeseen ja lasketaan tasapainovakion arvo. 0,50 K = = = [N ] [H ] l mol 0,5 0,75 l l [NH 3] l l,370...,4 3 mol mol 30. etyä voidaan valmistaa teollisesti käsittelemällä metaania vesihöyryllä: CH4(g) + HO(g) 3 H(g) + CO(g) Kun 1,00 litran astiaan suljettiin 0,100 mol metaania ja 0,10 mol vettä ja lämpötila nostettiin 750 C:seen, muodostui astiaan tasapaino tilan asetuttua 0,70 mol vetyä. a) Laadi reaktion tasapainovakion lauseke. b) Laske tasapainovakion arvo. c) Muodostuiko vetyä enemmän vai vähemmän, kun astian tilavuus muutettiin 0,500 litraksi? Perustele. (Yo k004) 3 [H ] [CO] a) K = [CH 4 ] [HO] b) Kirjoitetaan reaktio, lähtöarvot ja lasketaan muutokset taulukkoon. CH4(g) + HO (g) 3 H(g) + CO(g) n alussa (mol) 0,100 0,10 0 0 n:n muutos 1/3 1/3 + 0,70 + 1/3 (mol) 0,70 0,70 0,70 n tp:ssa (mol) 0,010 0,030 0,70 0,090 konsentraatio 0,010 0,030 0,70 0,090 tp:ssa l = 1,0 l Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot tasapainovakion lausekkeeseen ja lasketaan tasapainovakion arvo. 3 mol 0,70 0,090 l l l K = = 5,904... 5,9 mol mol 0,010 0,030 l mol l l c) Tilavuutta pienennettäessä 1,00 l:sta 0,50 l:aan paine kasvaa. Paineen kasvaessa reaktio etenee suuntaan, jossa kaasujen kokonaisainemäärä pienenee eli tässä lähtöaineiden suuntaan. Siis vetyä muodostuu vähemmän.
31. Hiilimonoksidi ja vety reagoivat keskenään CO(g) + H(g) CH3OH(g) H 0 < 0. Kun,0 litran astiaan suljettiin 1,00 mol hiilimonoksidia ja,00 mol vetyä, oli tasapainon asetuttua metanolin konsentraatio 0,30 mol/dm3. Mikä on reaktion tasapainovakion arvo kokeen lämpötilassa? Muodostuuko metanolia enemmän, vähemmän vai yhtä paljon, jos sama koe tehdään a) 1,0 litran astiassa b),0 litran astiassa, mutta korkeammassa lämpötilassa? Perustele vastauksesi. Kirjoitetaan reaktio, lähtöarvot ja lasketaan muutokset taulukkoon. CO(g) + H(g) CH3OH(g) n alussa (mol) 1,00,00 0 n:n muutos 0,60 0,60 + 0,60 (mol) n tp:ssa (mol) 0,40 0,80 0,60 konsentraatio 0,0 0,40 0,30 tp:ssa l =,0 l Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot tasapainovakion lausekkeeseen ja lasketaan tasapainovakion arvo mol 0,30 [CH3OH] l l l K = = = 9,375... 9,4 [CO] [H ] mol mol mol 0,0 0, 40 l l a) Tilavuuden pienentyessä paine kasvaa. Paineen kasvaessa reaktio etenee suuntaan, jossa kaasujen kokonaisainemäärä pienenee eli tässä reaktiotuotteen suuntaan. Siis metanolia muodostuu enemmän. b) Lämpötilan noustessa tasapaino siirtyy endotermiseen suuntaan eli lähtöaineiden suuntaan. (Etenevään suuntaan reaktio on eksoterminen, joten käänteisreaktio on endoterminen.) Metanolia muodostuu vähemmän.
3. Typpimonoksidi on merkittävä ilman saastuttaja. Sitä muodostuu alkuaineistaan korkeassa lämpötilassa, esimerkiksi kulkuneuvojen moottoreissa ja lämpövoimaloissa. 000 C:ssa reaktion N (g) + O(g) NO(g) tasapainovakion arvio on 0,090. a) Mihin suuntaan reaktio tapahtuu, kun yhtä suuret ainemäärät typpeä, happea ja typpimonoksidia saatetaan reagoimaan keskenään? Perustele vastauksesi. b) Kuinka suuri ainemäärä typpimonoksidia muodostuu, kun lähtöaineena on 0,50 mol typpeä ja 0,50 mol happea? a) Oletetaan, että reaktioastian tilavuus on (dm 3 ) ja n(n) = n(o) = n(no) = a (mol). Sijoitetaan hetkelliset konsentraatiot tasapainovakion lausekkeeseen. a [ NO] K(testaus) = = = 1,0 > 0,090 [ N ][ O ] a a Hetkellisillä arvoilla lasketun tasapainovakion täytyy pienentyä, joten reaktio tapahtuu lähtöaineiden suuntaan. b) Kirjoitetaan reaktio, lähtöarvot ja lasketaan muutokset taulukkoon. N(g) + O(g) NO3(g) n alussa (mol) 0,50 0,50 0 n:n muutos (mol) x x + x n tp:ssa (mol) 0,50 x 0,50 x x konsentraatio tp:ssa l on astian tilavuus 0,50 x 0,50 x x Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot tasapainovakion lausekkeeseen ja ratkaistaan x. a-kohdan mukaan K on yksikötön ja supistuu pois, joten yhtälön Ratkaisun helpottamiseksi K:n lausekkeessa ei ole mielekästä kirjoittaa yksiköitä näkyvin. n:n muutos riviltä nähdään, että x:n yksikkö on mol. [NO] (x) K = 0,090 [N ][O ] = (0,50 x) =
Yhtälö voidaan ratkaista ottamalla sen molemmista puolista neliöjuuri, jolloin x = ± 0,090 0,50 x x = ± 0,30 0,50 x x = 0,15 0,30x tai x = 0,15 + 0,30x x = 0,0651... mol (tai x = 0,088 mol < 0; mahdoton) n(no) = x = 0,0651... mol = 0,1304... mol 0,13 mol Yhtälö voidaan ratkaista myös ratkaisukaavan avulla. Normaalimuotoon sievennetty yhtälö on 3,91 x 0,090 x 0,05 = 0.