Opetus.tv PRO
Opetus.tv
Tasapaino
KE6: 2/4
1. Reaktion 2 H2(g)+O2(g)→2 H2O(l) entalpiamuutos on ΔH=−285,8 kJ/mol.
A) Reaktiossa happo hapettuu ja vety pelkistyy.
B) Reaktio on eksoterminen.
C) Jos molempia lähtöaineita on yksi mooli, vettä voi enimmillään muodostua 2 moolia.
2. Kun etikkahappoa lisätään veteen, tapahtuu seuraava reaktio: CH3COOH(l)+H2O(l)⇋CH3COO−(aq)+H3O+(aq).
A) Liuokseen muodostuu oksoniumioneja.
B) Kyseessä on protoninsiirtoreaktio.
C) Vesiliuoksen pH-arvo nousee.
3. Oheisen reaktioyhtälön perusteella
A) kyseessä on esteröitymisreaktio.
B) reaktiossa muodostuu vain yksi reaktiotuote.
C) symboli ⇋ tarkoittaa, että kyseessä on tasapainoreaktio.
Alkulämmittelyä
Arvioitavat työt:
- 🧪Ryhmätehtävä 2: Tasapainovakion määrittäminen
- Palautettava tehtävä 2: Tasapainolasku
- Palautettava tehtävä 3: Le Chatelierin periaate
Tasapaino-reaktiot
Keskeiset asiat:
-
tasapainoreaktio
-
tasapainotila
-
tasapainovakio
-
tasapainoasema
-
homogeeninen tasapaino
-
heterogeeninen tasapaino
Sidos 6: Luku 3
Tasapainoreaktio
A+B⇋C+D
A+B\leftrightharpoons C+D
etenevä reaktio
palautuva reaktio
Jos reaktio ei voi palautua, ei se voi olla tasapaino-reaktio.
- reaktio tapahtuu samaan aikaan vasemmalta oikealle ja oikealta vasemmalle
Tasapainotila
Kemiallisen tasapainotilan ominaisuuksia
- muodostuu vain suljetussa systeemissä
- reaktiot eivät pysähdy, vaan molemmat tapahtuvat koko ajan
- etenevä ja palautuva reaktio tapahtuvat yhtä suurella nopeudella
- lähtöaineiden ja tuotteiden konsentraatiot eivät muutu
tasapainotila saavutettu
tasapainotila →
palautuva reaktio
etenevä reaktio
v1=v2
Tasapainovakio
aA+bB⇋cC+dD
aA+bB\leftrightharpoons cC+dD
ve
v_e
vp
v_p
ve=vp
v_e=v_p
K=[A]a⋅[B]b[C]c⋅[D]d
K=\frac{[C]^c\cdot[D]^d}{[A]^a\cdot[B]^b}
[A],[B],[C],[D]
[A], [B], [C], [D]
aineiden A, B, C ja D tasapainokonsentraatiot
Tasapainovakio K
- lämpötilasta riippuva reaktiokohtainen vakio
- kuvaa tuotteiden ja lähtöaineiden konsentraatioiden suhdetta tasapainotilassa
- lasketaan aina tasapainokonsentraatioilla
tasapainovakion lauseke
Pätee laimeille liuoksille!
ei yksikköä!
Esimerkki
Dityppitetraoksidin ja typpidioksidin välisen reaktion tasapainovakio on
- 400 K:n lämpötilassa 47,9
- 500 K:n lämpötilassa 1700.
Mitä voidaan päätellä tuotteen määrästä seoksessa, kun lämpötilaa nostetaan?
Kumpaan suuntaan reaktion tasapainotila siirtyy, kun lämpötilaa lasketaan?
N2O4(g)⇋2 NO2(g)
\mathrm{N_2O_4(g)\leftrightharpoons}2\ NO_2(g)
K=[N2O4][NO2]2
K=\mathrm{\frac{[NO_2]^2}{[N_2O_4]}}
K:n arvo suurempi korkeammassa lämpötilassa
→ osoittaja suurempi
→ tuotteiden määrä kasvaa, kun lämpötilaa nostetaan
K:n arvo pienempi matalammassa lämpötilassa
→ lähtöaineiden määrä kasvaa, kun lämpötilaa lasketaan
→ tasapainotila siirtyy lähtöaineisiin päin
N2O4(g)⇋ 2 NO2(g)
\mathrm{N_2O_4(g)\leftrightharpoons}\ 2\ NO_2(g)
K=[N2O4][NO2]2
K=\mathrm{\frac{[NO_2]^2}{[N_2O_4]}}
- Tasapainovakion lauseke kirjoitetaan aina etenevälle reaktiolle!
Tasapainovakio
2 NO2(g)⇋N2O4(g)
\mathrm{2\ NO_2(g)\leftrightharpoons N_2O_4(g)}
K′=[NO2]2[N2O4]
K'=\mathrm{\frac{[N_2O_4]}{[NO_2]^2}}
K⋅K′=[N2O4][NO2]2⋅[NO2]2[N2O4]
K\cdot K'=\mathrm{\frac{[NO_2]^2}{[N_2O_4]}}\cdot\mathrm{\frac{[N_2O_4]}{[NO_2]^2}}
K⋅K′=1
K\cdot K'=1
∥:K
\|:K
K′=K1
K'=\frac{1}{K}
Palautuvan reaktion tasapainovakion arvo on etenevän reaktion tasapainovakion käänteisluku!
A⇋B
A\leftrightharpoons B
A
A
A
B
B
B
tasapaino lähtöaineiden puolella
tasapaino tuotteiden puolella
tasapainoasema
Esimerkki
a) Kirjoita tasapainovakion lauseke reaktiolle.
b) Laske tasapainovakion arvo.
c) Onko reaktion tasapainotila lähtöaineiden vai tuotteiden puolella?
d) Laske palautuvan reaktion tasapainovakion arvo.
K=[SO2]2[O2][SO3]2
K=\mathrm{\frac{[SO_3]^2}{[SO_2]^2[O_2]}}
Tasapaino-konsentraatiot:
a)
K=2,342⋅2,010,3972
K=\mathrm{\frac{0{,}397^2}{2{,}34^2\cdot2{,}01}}
b)
=0,01432...
=0{,}01432...
≈0,0143
\approx0,0143
c) K<1, joten tasapaino on lähtöaineiden puolella
d)
K′=K−1
K'=K^{-1}
=69,830...
=69{,}830...
≈69,8
\approx69{,}8
Homogeeninen ja heterogeeninen tasapainotila
Jos kaikki aineet ovat samassa faasissa, on kyseessä homogeeninen tasapainotila.
Jos kaikki aineet eivät ole samassa faasissa, on kyseessä heterogeeninen tasapainotila.
NaCl(s)⇋Na+(aq)+Cl−(aq)
\mathrm{NaCl(s)\leftrightharpoons Na^+(aq)+Cl^-(aq)}
vesi on liuotin!
3 H2(g)+N2(g)⇋2 NH3(g)
\mathrm{3\ H_2(g)+N_2(g)\leftrightharpoons2\ NH_3(g)}
H2CO3(aq)⇋H2O(l)+CO2(aq)
\mathrm{H_2CO_3(aq)\leftrightharpoons H_2O(l)+CO_2(aq)}
CO2(g)⇋CO2(aq)
\mathrm{CO_2(g)\leftrightharpoons CO_2(aq)}
kylläinen liuos
Osaatko?
- Miten kirjoitetaan tasapainovakion lauseke reaktioyhtälön perusteella?
- Miten lasketaan tasapainovakion arvo, kun tasapainokonsentraatiot tunnetaan?
- Miten tasapainotila näkyy reaktionopeuskuvaajista?
- Milloin reaktion tasapaino on lähtöaineiden puolella? Entä tuotteiden?
- Mitä eroa on homogeenisella ja heterogeenisella tasapainolla?
Tasapaino-vakio
Keskeiset asiat:
-
tasapaino-konsentraatioiden laskeminen
-
tasapainovakion laskeminen
Sidos 6: Luku 4
Esimerkki 1
Määritä tasapainovakion arvo oheisen taulukon avulla.
| 0,4 | 0,4 | 0 | ||
| 0,6 |
H2(g) +
I2(g)
⇋
2 HI(g)
ca
c_\mathrm{a}
ctp
c_{\mathrm{tp}}
Δ
\Delta
Lähtöaineiden määrä vähenee.
Tuotteiden määrä lisääntyy.
+ 2⋅0,3
+\ 2\cdot0{,}3
−0,3
-0{,}3
−0,3
-0{,}3
0,1
0{,}1
0,1
0{,}1
K=
K=
[H2]⋅[I2][HI]2
\mathrm{\frac{[HI]^2}{[H_2]\cdot[I_2]}}
=0,1⋅0,10,62
=\frac{0{,}6^2}{0{,}1\cdot0{,}1}
=36
=36
Tasapainovakion ratkaiseminen
- Sijoitetaan tunnetut konsentraatiot taulukkoon.
- Lasketaan konsentraation muutos sille aineelle, josta tunnetaan alku- ja tasapainokonsentraatio.
- Päätellään muiden aineiden konsentraatioiden muutokset tasapainotetusta reaktioyhtälöstä.
- Lasketaan muiden aineiden tasapainokonsentraatiot.
- Muodostetaan tasapainovakion lauseke.
- Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot tasapainovakion lausekkeeseen ja lasketaan tasapainovakion arvo.
Esimerkki 2
Määritä taulukon avulla reaktioseoksen koostumus tasapainotilassa, kun reaktion tasapainovakion arvo on 172.
| 0,65 | 0,45 | 0 | ||
3 H2(g) +
N2(g)
⇋
2 NH3(g)
ca
c_\mathrm{a}
ctp
c_{\mathrm{tp}}
Δ
\Delta
K=
K=
[H2]3⋅[N2][NH3]2
\mathrm{\frac{[NH_3]^2}{[H_2]^3\cdot[N_2]}}
=(0,65−3x)3(0,45−x)(2x)2
=\frac{(2x)^2}{(0{,}65-3x)^3(0{,}45-x)}
=172
=172
−x
-x
−3x
-3x
+2x
+2x
0,65−3x
0{,}65-3x
0,45−x
0{,}45-x
2x
2x
Hylätään x=0,46..., koska tällöin typpikaasun konsentraatio olisi tasapainossa negatiivinen.
Lasketaan tasapainokonsentraatiot.
Vastaus: Tasapainotilassa vedyn konsentraatio on 0,14 mol/l, typen konsentraatio 0,28 mol/l ja ammoniakin konsentraatio 0,34 mol/l.
Tasapainokonsentraation ratkaiseminen
- Kerätään tunnetut alkukonsentraatiot tasapainotaulukkoon.
- Kirjoitetaan muutoskonsentraatiot tasapainovakion taulukon toiselle riville.
- Kirjoitetaan alimmalle riville tasapainokonsentraatiot alku- ja muutoskonsentraatioiden avulla.
- Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot tasapainovakion lausekkeeseen.
- Ratkaistaan muutoskonsentraatio tasapainovakion avulla.
Osaatko?
- Miten
Le Chatelierin periaate
Keskeiset asiat:
-
tasapainon siirtäminen
Sidos 6: Luku 5
Tasapainotila
Dynaaminen tasapainotila saavutetaan suljetussa systeemissä.
vesihöyryä
lämpöä
lämpöä
avoin systeemi
suljettu systeemi
Jos tasapainotilaa häiritään olosuhteita muuttamalla, reaktioseos ei ole enää tasapainotilassa.
Tasapainotilaa voidaan häiritä
- lämpötilan muutoksella
- paineen muutoksella
- konsentraation muutoksella.
Jos reaktion tasapainoa häiritään, etenevä tai palautuva reaktio nopeutuu hetkellisesti niin, että muutos kumoutuu. Seurauksena on uusi tasapainoasema.
Le Chatelierin periaate
Lämpötilan muutos
- Lämpötilan nosto siirtää systeemin tasapainoa endotermisen reaktion suuntaan eli sen reaktion suuntaan, joka sitoo lämpöä.
- Lämpötilan lasku siirtää systeemin tasapainoa eksotermisen reaktion suuntaan eli sen reaktion suuntaan, joka vapauttaa lämpöä.
Eksoterminen reaktio
Endoterminen reaktio
ΔH<0
\Delta H<0
ΔH>0
\Delta H>0
- systeemin lämpötila nousee
- systeemin lämpötila laskee
Paineen muutos
-
Paine vaikuttaa reaktion tasapainoon vain, jos
- reaktioon ottaa osaa kaasuja ja
- reaktioyhtälön molemmin puolin on eri määrä kaasumooleja.
- Paineen lisäys aiheuttaa reaktion siihen suuntaan, jossa kaasumolekyylien lukumäärä on pienempi.
- Paineen lasku taas aiheuttaa reaktion siihen suuntaan, jossa kaasumolekyylien lukumäärä on suurempi.
- Painetta voidaan muuttaa astian tilavuutta muuttamalla.
Konsentraation vaikutus
- Jos reaktiotuotteita tuodaan lisää tai reaktion lähtöaineita vähennetään, reaktion tasapainotila siirtyy vasemmalle eli lähtöaineiden puolelle.
- Jos lähtöaineiden konsentraatiota kasvatetaan tai reaktiotuotteiden konsentraatiota pienennetään, reaktion dynaaminen tasapaino siirtyy oikealle, jolloin siis tuotteiden puolelle.
N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g), ΔH = −92 kJ/mol
→ etenevä reaktio nopeutuu
Esimerkki
Mihin suuntaan reaktion tasapainotila siirtyy, jos
a) reaktioastiaan lisätään vetyä?
b) vähennetään ammoniakkia?
lisätään lähtöainetta
N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g)
systeemi pyrkii kumoamaan muutoksen poistamalla lähtöainetta
→ tuotteita syntyy lisää
→ tasapainotila tuotteiden puolella
N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g)
vähennetään tuotetta
→ etenevä reaktio nopeutuu
systeemi pyrkii kumoamaan muutoksen lisäämällä tuotetta
→ tasapainotila tuotteiden puolella
N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g), ΔH = −92 kJ/mol
Esimerkki
Mihin suuntaan reaktion tasapainotila siirtyy, jos
c) systeemin painetta kasvatetaan?
N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g)
4 moolia kaasuja
2 moolia kaasuja
→ etenevä reaktio nopeutuu, koska lähtöaineiden puolella on enemmän kaasumolekyylejä
systeemi pyrkii kumoamaan muutoksen siirtymällä siihen suuntaan, jossa on vähemmän kaasumolekyylejä
→ tuotteita syntyy lisää
→ tasapainotila tuotteiden puolella
→ tuotteita syntyy lisää
→ tasapainotila tuotteiden puolella
N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g), ΔH = −92 kJ/mol
Esimerkki
Mihin suuntaan reaktion tasapainotila siirtyy, jos
etenevän reaktion entalpiamuutos
d) lämpötilaa lasketaan?
→ tuotteita syntyy lisää
→ tasapainotila tuotteiden puolella
N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g), ΔH = −92 kJ/mol
systeemi pyrkii kumoamaan muutoksen nopeuttamalla eksotermistä reaktiota
eksoterminen reaktio
→ etenevä reaktio nopeutuu
→ tuotteita syntyy lisää
→ tasapainotila tuotteiden puolella
Reaktio-osamäärä Q
- kertoo reaktion konsentraatioiden suhteen tarkasteluhetkellä
- lauseke on samanlainen kuin tasapainovakion lauseke, mutta Q:n lausekkeessa käytetään tasapainokonsentraatioiden sijaan tarkasteluhetken konsentraatioita
Vertaamalla Q:n ja K:n arvoja, voidaan päätellä, mihin suuntaan reaktion on tapahduttava, jotta päästään tasapainotilaan.
Esimerkki
Dityppitetraoksidin ja typpidioksidin reaktio:
N2O4(g)⇋2 NO2(g)
\mathrm{N_2O_4(g)\leftrightharpoons 2\ NO_2(g)}
Eräässä lämpötilassa reaktio asettuu tasapainoon, kun tasapainokonsentraatiot ovat [N2O4]=0,64 M ja [NO2]=0,055 M.
Reaktioseokseen lisätään typpidioksidia niin, että lisäyksen jälkeen konsentraatio on 0,500 M. Tutki Q:n avulla, tapahtuuko reaktio konsentraation lisäyksen jälkeen etenevään vai palautuvaan suuntaan.
Ratkaisu:
Lasketaan K.
K=[N2O4][NO2]2
K=\frac{[\mathrm{NO_2}]^2}{[\mathrm{N_2O_4}]}
=0,640,0552
=\frac{0{,}055^2}{0{,}64}
≈0,0047
\approx0{,}0047
Lasketaan Q.
Q=[N2O4][NO2]2
Q=\frac{[\mathrm{NO_2}]^2}{[\mathrm{N_2O_4}]}
=0,640,5002
=\frac{0{,}500^2}{0{,}64}
≈0,39
\approx0{,}39
Q>K
Q>K
tasapaino siirtyy palautuvan reaktion suuntaan
Tasapaino KE6: 2/4
Tasapaino
By Opetus.tv
Tasapaino
- 351
