En anderledes kemibog B

Indhold

2.1. Kemisk ligevægt

Når vi tænker på en kemisk reaktion, så forestiller vi os altid at reaktioner forløber til ende. Det vil sige at alle reaktanter omdannes til produkter. Der er mange reaktioner som ikke løber til ende, og dermed er en blanding af både reaktanter og produkter. Den kemiske reaktion har opnået ligevægt, og koncentrationen af reaktanter og produkter vil være konstant over tid. Hvis reaktionen danner flest produkter, så ligger ligevægten til højre, og hvis få reaktanter omdannes til produkter, så ligger ligevægten til venstre.

En ligevægtsreaktion angives med en dobbelt harpun ⇌, mens en enkelt pil → bruges til reaktioner der løber til ende. I figur 1 ses ligevægtsreaktionen mellem jern(III)ioner og thiocyanationer og der dannes jern(III)thiocyanat.

Kemisk reaktion vand

Figur 1. Ved ligevægt er der en blanding af reaktanter og produkter. Reaktionen er ikke løbet til ende, men har opnået ligevægt. Dobbeltharpun angiver ligevægt.

Kemiske reaktioner kan opdeles i irreversible og reversible reaktioner. Irreversible reaktion kan kun gå en vej, mens reversible reaktioner kan gå begge veje. Reaktionen i figur 1 er en reversibel reaktion, da jern(III)thiocyanat igen kan omdannes til reaktanter. En irreversibel reaktion kan være forbrænding af methan. Reaktanterne omdannes fuldstændigt til produkter, og reaktionen stopper, når reaktanterne er opbrugt.

CH4 (g) + 5 O2 (g) → 3 CO2 (g) + 4 H2O (g)

Figur 2. Forbrænding af methan er en irreversibel reaktion. Pilen angiver, at reaktionen kun forløber mod højre.

Kemisk ligevægt er en tilstand, der opstår i en reversibel reaktion, når reaktionshastigheden mod højre (mod produkterne) er lige så stor som reaktionshastigheden mod venstre (mod reaktanterne). Det betyder, at koncentrationerne af reaktanter og produkter holder sig konstante over tid. En kemisk ligevægt er en dynamisk ligevægt. Reaktionen stopper ikke – hvert eneste sekund dannes der nye produkter, men den samme mængde produkter omdannes samtidig tilbage til reaktanter. Makroskopisk ser det ud som om, der ikke sker noget, men på molekylært niveau foregår der hele tiden reaktioner i begge retninger.

Ved kemisk ligevægt gælder:

  • Reaktionshastigheden mod højre = reaktionshastigheden mod venstre.
  • Koncentrationerne af reaktanter og produkter er konstante, men ikke nødvendigvis lige store.
  • Ligevægten er dynamisk – der sker stadig reaktioner i begge retninger.

Bemærk, at ligevægt ikke betyder, at der er lige mange reaktanter og produkter. Det betyder, at koncentrationerne af reaktanter og produkter ikke ændrer sig over tid.

Forholdet mellem reaktanter og produkter afhænger af den konkrete reaktion og angives ved ligevægtskonstanten, Kc.

Ligevægtskonstanten afhænger kun af temperaturen, og hvis temperaturen holdes konstant, vil ligevægtskonstanten altid have den samme værdi for en bestemt reaktion.

Fokusspørgsmål

2.2. Reaktionsbrøken

Reaktionsbrøken angiver forholdet mellem reaktanternes og produkternes koncentrationer. Reaktionsbrøken betegnes med symbolet Y. Reaktionsbrøken bruges til at undersøge om en reaktion er i ligevægt eller om reaktionen vil gå mod højre eller venstre.

Reaktionsbrøken opskrives med koncentrationen af produkter i tælleren og reaktanter i nævneren.

Y = [produkter] [reaktanter]

For den generelle reaktion:

aA + bB ⇌ cC + dD

opskrives reaktionsbrøken som:

Y = [C]c ⋅ [D]d [A]a ⋅ [B]b

Koefficienterne fra reaktionsskemaet bliver til eksponenter.

Ligevægtsreaktionen fra figur 1 sat ind i reaktionsbrøken:

Fe3+(aq) + SCN−(aq) ⇌ FeSCN2+(aq)

Reaktionsbrøk for jern(III)thiocyanat ligevægten:

Y = [FeSCN2+] [Fe3+] ⋅ [SCN−]

Dannelse af ammoniak til kunstgødning:

N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g)

Reaktionsbrøk for ammoniakligevægten:

Y = [NH3]2 [N2] ⋅ [H2]3

Firkantede parenteser [ ] angiver den aktuelle stofmængdekoncentrationen i mol/L. Koefficienterne skal være fra det afstemte reaktionsskema og anvendes som eksponenter i reaktionsbrøken.

Tryk på figur 2 for at undersøge temperaturens og koncentrationernes effekt på ligevægten. Bemærk at ligevægtskonstanten Kc ikke ændres ved forskellige koncentrationer. Det er kun temperaturen der ændre værdien af Kc.

Kemisk reaktion vand

Figur 2. Ligevægtsgraf for ammoniakligevægten (Haber-Bosch reaktion).

Fokusspørgsmål

2.3. Ligevægtskonstanten

Kc er ligevægtskonstanten og er temperaturafhængig. Ligevægtskonstanten for ammoniakligevægten er 3,8 · 108 og dermed er ligevægten forskudt langt mod højre. Værdien af brøken er meget stor, hvilket betyder, at tælleren er meget større en nævneren og dermed er koncentrationen af produkter meget større end koncentrationen af reaktanter. Næsten al dinitrogen og dihydrogen omdannes til ammoniak ved 25 °C. Er skitseret ved en længere ligevægtspil mod højre i reaktionsskemaet.

N2(g) + 3H2(g) ⇀ ↽ 2NH3(g)

Størrelsen af Kc angiver forholdet mellem reaktanter og produkter. Se tabel 1.

Tabel 1.

Værdi af Kc Betydning
Kc >> 1 (stor) Ligevægten ligger langt mod højre. Der er overvejende produkter ved ligevægt.
Kc ≈ 1 Ligevægten ligger midt imellem. Der er lige mængder af reaktanter og produkter.
Kc << 1 (lille) Ligevægten ligger langt mod venstre. Der er overvejende reaktanter ved ligevægt.

Ligevægtskonstanten Kc afhænger kun af temperaturen og ændres temperaturen så ændres ligevægtskonstanten. Ved ændring af reaktanternes koncentration eller tryk ændrer ikke værdien af ligevægtskonstanten.

Enheden for Kc afhænger af reaktionen og bestemmes ved at indsætte enhederne for koncentrationerne i ligevægtsudtrykket. Hvis enhederne i tæller og nævner går ud med hinanden, så vil K være uden enhed. K kan have flere forskellige enheder som mol/L eller (mol/L)2.

Enhed for ammoniakligevægten:

Kc = [NH3]2 [N2] ⋅ [H2]3
Kc = (mol/L)2 (mol/L) ⋅ (mol/L)3
Kc = 1 (mol/L)2
Kc = (mol/L)−2

Fokusspørgsmål

2.4. Ligevægtsloven

Ligevægtsloven siger, at reaktionsbrøken er lig med ligevægtskonstanten ved ligevægt.

Y = Kc

Forholdet mellem Y og K kan bruges til at forudsige, i hvilken retning en reaktion vil forløbe:

Forhold Reaktionens retning
Y < Kc Reaktionen forløber mod højre (mod produkter). Der dannes flere produkter, indtil Y = Kc.
Y = Kc Ligevægten har indstillet sig. Ingen ændring i reaktanternes og produkternes koncentrationer.
Y > Kc Reaktionen forløber mod venstre (mod reaktanter). Der dannes flere reaktanter, indtil Y = Kc.
Y = [FeSCN2+] [Fe3+] ⋅ [SCN−]

Hvis Y er mindre en Kc betyder det, at koncentrationerne af reaktanter er for stor i forhold til produkter. For at opnå ligevægt, så Y = K, skal der omdannes reaktanter til produkter. Nævnerens værdi er for stor i forhold til tællernes værdi. Hvis nævner er stor, så bliver Y lille og hvis tæller er stor bliver Y stor.

Kemisk reaktion vand

Figur 3. Reaktionsbrøken er lig med ligevægtskonstanten ved ligevægt.

Fokusspørgsmål

2.5. Homogene og heterogene ligevægte

Kemiske ligevægte kan opdeles i homogene og heterogene ligevægte. Hvis reaktanter og produkter er i samme fase er det en homogen ligevægt, og hvis faserne er i forskellige faser, er det en heterogen ligevægt. Et eksempel på homogene ligevægte kan være når reaktanter og produkter er en gasblanding eller en vandig opløsning. Ammoniakligevægten er en homogen ligevægt, hvor alle stofferne er på gasform (g).

N2 (g) + 3 H2 (g) ⇌ 2 NH3 (g)

Calciumcarbonat er en heterogen ligevægt, hvor reaktanter og produkter befinder sig i forskellige faser. I reaktionen indgår der to faste stoffer og et stof på gasform.

CaCO3 (s) ⇌ CaO (s) + CO2 (g)

Vigtig regel: Faste stoffer (s) og rene væsker (l) medtages ikke i reaktionsbrøken eller ligevægtsudtrykket. Kun stoffer i vandig opløsning (aq) og gasser (g) indgår. For reaktionen CaCO3 (s) ⇌ CaO (s) + CO2 (g) bliver ligevægtsudtrykket derfor:

K = [CO2]

Fokusspørgsmål

2.6. Indgreb i ligevægte – Le Chateliers princip

Når en kemisk reaktion er i ligevægt og den kemiske ligevægt er indstillet, kan der foretages et ydre indgreb, der forstyrrer ligevægten. Le Chateliers princip beskriver, hvordan ligevægten reagerer på et ydre indgreb.

Le Chateliers princip: Et ydre indgreb i en ligevægt vil skabe en forskydning af ligevægten, så virkningen af det ydre indgreb formindskes.

Ydre indgreb kan være:

  • ændring af reaktanternes eller produkternes koncentrationer
  • ændring af temperaturen
  • ændring af tryk

Ændring af koncentration

Hvis man tilsætter mere af en reaktant, vil ligevægten forskydes mod højre (mod dannelse af flere produkter), fordi systemet vil forbruge den tilsatte reaktant og danne mere produkt. Omvendt, hvis man tilsætter mere af et produkt, forskydes ligevægten mod reaktanterne, altså mod venstre.

Fjernes et produkt fra blandingen, vil ligevægten også forskydes mod højre, fordi systemet forsøger at gendanne det fjernede stof, og hvis en reaktant fjernes, vil der ske en forskydning mod venstre og dermed en omdannelse af produkt til reaktanter. Hvis der i reaktionen Fe3+ (aq) + SCN− (aq) ⇌ FeSCN2+ (aq) tilsættes flere Fe3+-ioner forskydes ligevægten mod højre, så der dannes mere af det røde FeSCN2+. Opløsningen bliver mere rød.

Tryk på figur 4, for at manipulere ligevægten ved at ændre enten koncentrationerne af reaktanter og produkter eller temperaturen.

Ændring af temperatur

Temperaturændringer påvirker ligevægtskonstanten Kc.

Hvis temperaturen hæves, forskydes ligevægten i den endoterme retning (den retning der optager varme).
Hvis temperaturen sænkes, forskydes ligevægten i den exoterme retning (den retning der afgiver varme).

Fe3+ (aq) + SCN− (aq) ⇌ FeSCN2+ (aq) (exoterm reaktion mod højre)

Simulation: ligevægtsændring afhængig af temperatur

Figur 4. Simulationen viser koncentrationernes og temperaturens effekt på ligevægten. Klik for at åbne.

Ændring af tryk

Ændring af tryk påvirker kun reaktioner hvor tilstandsformen er gas, altså hvor reaktionsdeltagerne er på gasform. Nå trykket ændres ved ligevægt, vil der ske en forskydning i antallet af molekyler på hver side af reaktionspilen. Hvis trykket øges vil der ske en forskydning af ligevægten i den retning, hvor der er færrest gasmolekyler, og hvis trykket mindskes vil reaktionen forskydes i den retning hvor der er flest gasmolekyler.

For reaktionen N2 (g) + 3 H2 (g) ⇌ 2 NH3 (g) er der 4 gasmolekyler på venstre side og 2 gasmolekyler på højre side. Øges trykket forskydes ligevægten mod højre og dermed mod færre gasmolekyler.

En katalysator ændrer ikke ligevægtskoncentrationerne, men øger reaktionshastigheden, så ligevægten opnås hurtigere. Værdien af Kc ændres ikke og dermed er forholdet mellem reaktanter og produkter det samme.

Indgreb i ligevægte kan også beskrives med reaktionsbrøken Y. Når der foretages et indgreb ved ligevægt, ændres Y, så Y ≠ K. Systemet vil derefter bevæge sig mod ligevægt indtil Y = Kc.

Fokusspørgsmål

2.7. Beregninger med ligevægtskonstanten

Hvis ligevægtskoncentrationerne er kendte, kan reaktionsbrøken beregnes direkte ved at indsætte værdierne i ligevægtsudtrykket.

For reaktionen:

H2 (g) + I2 (g) ⇌ 2 HI (g)

er ligevægtskoncentrationerne ved 425 °C målt til:
Kemisk komponent Ligevægtskoncentration
[H2] 0,0037 M
[I2] 0,0037 M
[HI] 0,0276 M

Y = [HI]2 [H2] ⋅ [I2]

Y = (0,0276 M)2 0,0037 M ⋅ 0,0037 M

Y = 7,62 ⋅ 10−4 M2 1,37 ⋅ 10−5 M2

Y = 55,6

Ved ligevægt: Kc ≈ 55 ved 425 °C

Klik her for at se tabellen over ligevægtskonstanter til H2 + I2 ⇌ 2 HI.
Temperatur (°C) Temperatur (K) Ligevægtskonstant (Kc) Kommentar til ligevægten
350 °C 623 K ≈ 66,9 Exoterm reaktion mod højre. Ligevægten er forskudt mod produktsiden (HI).
400 °C 673 K ≈ 58,8 Kc falder ved stigende temperatur. Når temperatur øges
425 °C 698 K ≈ 55,6 Kc falder svagt ved stigende temperatur.
448 °C 721 K ≈ 50,0 Kc falder svagt ved stigende temperatur.
500 °C 773 K ≈ 40,0 Reaktionen danner mindre HI ved højere temperaturer.

Hvis reaktionsbrøken Y = Kc er ligevægten indstillet. Hvis Y ≠ Kc, er reaktionen ikke i ligevægt, og reaktionen vil forløbe i den retning, der bringer Y mod K. I dette eksempel er reaktionen i ligevægt.

Bestemmelse af ligevægtskoncentrationer (SÆL-skema)

Hvis startkoncentrationerne er kendte og Kc er angivet, så kan ligevægtskoncentrationerne bestemmes ved at anvende et SÆL-skema (Start, Ændring, Ligevægt).

Vi beregner ligevægtskoncentrationerne for ammoniakligevægten.

N2 (g) + 3 H2 (g) ⇌ 2 NH3 (g)

N2 3 H2 2 NH3
Start (S) 0,0100 M 0,0100 M 0 M
Ændring (Æ) −x −3x +2x
Ligevægt (L) 0,0100 − x 0,0100 − 3x 2x

Ændringer i koncentrationerne følger koefficienterne i det afstemte reaktionsskema, og ligevægtskoncentrationerne indsættes i ligevægtsudtrykket og x kan beregnes.

Kc = [NH3]2 [N2] ⋅ [H2]3

0,500 = (2x)2 (0,0100 − x) · (0,0100 − 3x)3

Alle tal flyttes over på den ene side, så vi får en ligning, der er lig med nul:

13,5x4 − 0,27x3 − 3,9982x2 − 0,000005x + 0,000000005 = 0

Denne ligning har fire løsninger, men kun en løsning giver mening — x skal være positiv og mindre end 0,00333, ellers bliver H2koncentrationen negativ. Den rigtige løsning er:

x = 3,474 × 10−5 M

Nu indsætter vi x i ligevægtsrækkens udtryk:

[N2] = 0,0100 − x = 0,0100 − 3,474 × 10−5 = 9,965 × 10−3 M
[H2] = 0,0100 − 3x = 0,0100 − 3 · 3,474 × 10−5 = 0,0100 − 1,042 × 10−4 = 9,896 × 10−3 M
[NH3] = 2x = 2 · 3,474 × 10−5 = 6,948 × 10−5 M

Vi kan kontrollere svaret ved at indsætte ligevægtskoncentrationerne i Kc-udtrykket:

Kc = (6,948 × 10−5)2 (9,965 × 10−3) · (9,896 × 10−3)3 = 4,828 × 10−9 9,658 × 10−9 ≈ 0,500 ✓
N2 3 H2 2 NH3
Start (S) 0,0100 M 0,0100 M 0 M
Ændring (Æ) −x −3x +2x
Ligevægt (L) 9,965 × 10−3 M 9,896 × 10−3 M 6,948 × 10−5 M

Fokusspørgsmål

2.8 Opgaver

Opgave 1
Hvad er forskellen på en reversibel og en irreversibel reaktion? Giv et eksempel på hver.

Opgave 2
Forklar hvad en dynamisk ligevægt er. Hvorfor er ligevægten dynamisk og ikke statisk?

Opgave 3
Opskriv reaktionsbrøken Y for følgende reaktioner:

  1. N2 (g) + 3 H2 (g) ⇌ 2 NH3 (g)
  2. 2 SO2 (g) + O2 (g) ⇌ 2 SO3 (g)
  3. PCl5 (g) ⇌ PCl3 (g) + Cl2 (g)

Opgave 4
For reaktionen N2O4 (g) ⇌ 2 NO2 (g) er ligevægtskoncentrationerne ved 25 °C: [N2O4] = 0,0500 M og [NO2] = 0,0152 M.
Beregn ligevægtskonstanten K. Angiv enheden.

Opgave 5
For reaktionen H2 (g) + I2 (g) ⇌ 2 HI (g) er K = 54,3 ved 425 °C. I en blanding er [H2] = 0,010 M, [I2] = 0,010 M og [HI] = 0,060 M.

  1. Beregn reaktionsbrøken Y.
  2. Er ligevægten indstillet? Hvis ikke, hvilken retning vil reaktionen forløbe?

Opgave 6
Forklar forskellen på en homogen og en heterogen ligevægt. Giv et eksempel på hver.
Opskriv ligevægtsudtrykket for: CaCO3 (s) ⇌ CaO (s) + CO2 (g).

Opgave 7
For reaktionen: N2 (g) + 3 H2 (g) ⇌ 2 NH3 (g), ΔH = −92 kJ/mol
Forklar ved hjælp af Le Chateliers princip, hvad der sker med ligevægten, når:

  1. Koncentrationen af N2 øges.
  2. NH3 fjernes fra blandingen.
  3. Temperaturen hæves.
  4. Trykket øges.

Opgave 8
Påvirker en katalysator ligevægtens sammensætning? Begrund dit svar.

Opgave 9
Anvend et SÆL-skema til at bestemme ligevægtskoncentrationerne for reaktionen:
PCl5 (g) ⇌ PCl3 (g) + Cl2 (g)
Startkoncentration: [PCl5] = 0,100 M, [PCl3] = 0 M, [Cl2] = 0 M.
K = 0,0211 mol/L ved 250 °C.

Opgave 10
For reaktionen: 2 SO2 (g) + O2 (g) ⇌ 2 SO3 (g) er K = 4,0 · 102 ved 500 °C.

  1. Ligger ligevægten mod højre eller venstre?
  2. Hvad sker der med ligevægtens position, hvis temperaturen sænkes, og reaktionen mod højre er exoterm?

Opgave 11
I Haber-processen fremstilles ammoniak ved reaktionen:
N2 (g) + 3 H2 (g) ⇌ 2 NH3 (g)
Forklar, hvorfor Haber-processen udføres ved høj temperatur og højt tryk, og diskutér, hvad Le Chateliers princip siger om valget af betingelser.