Tasapaino

KE6: 2/4

1. Reaktion \(\mathrm{2\ H_2(g)+O_2(g)\rightarrow 2\ H_2O(l)}\) entalpiamuutos on \(\Delta H=-285{,}8\ \mathrm{kJ/mol}\).

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: \(\mathrm{CH_3COOH(l)+H_2O(l)\leftrightharpoons CH_3COO^-(aq)+H_3O^+(aq)}\).

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 \(\leftrightharpoons\) 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\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 \(\rightarrow\)

palautuva reaktio

etenevä reaktio

\(v_1=v_2\)

Tasapainovakio

aA+bB\leftrightharpoons cC+dD
v_e
v_p
v_e=v_p
K=\frac{[C]^c\cdot[D]^d}{[A]^a\cdot[B]^b}
[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?

\mathrm{N_2O_4(g)\leftrightharpoons}2\ NO_2(g)
K=\mathrm{\frac{[NO_2]^2}{[N_2O_4]}}

K:n arvo suurempi korkeammassa lämpötilassa

\(\rightarrow \) osoittaja suurempi

\(\rightarrow \) tuotteiden määrä kasvaa, kun lämpötilaa nostetaan

K:n arvo pienempi matalammassa lämpötilassa

\(\rightarrow \) lähtöaineiden määrä kasvaa, kun lämpötilaa lasketaan

\(\rightarrow \) tasapainotila siirtyy lähtöaineisiin päin

\mathrm{N_2O_4(g)\leftrightharpoons}\ 2\ NO_2(g)
K=\mathrm{\frac{[NO_2]^2}{[N_2O_4]}}
  • Tasapainovakion lauseke kirjoitetaan aina etenevälle reaktiolle!

Tasapainovakio

\mathrm{2\ NO_2(g)\leftrightharpoons N_2O_4(g)}
K'=\mathrm{\frac{[N_2O_4]}{[NO_2]^2}}
K\cdot K'=\mathrm{\frac{[NO_2]^2}{[N_2O_4]}}\cdot\mathrm{\frac{[N_2O_4]}{[NO_2]^2}}
K\cdot K'=1
\|:K
K'=\frac{1}{K}

Palautuvan reaktion tasapainovakion arvo on etenevän reaktion tasapainovakion käänteisluku!

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=\mathrm{\frac{[SO_3]^2}{[SO_2]^2[O_2]}}

Tasapaino-konsentraatiot:

a)

K=\mathrm{\frac{0{,}397^2}{2{,}34^2\cdot2{,}01}}

b)

=0{,}01432...
\approx0,0143

c) K<1, joten tasapaino on lähtöaineiden puolella

d)

K'=K^{-1}
=69{,}830...
\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.

\mathrm{NaCl(s)\leftrightharpoons Na^+(aq)+Cl^-(aq)}

vesi on liuotin!

\mathrm{3\ H_2(g)+N_2(g)\leftrightharpoons2\ NH_3(g)}
\mathrm{H_2CO_3(aq)\leftrightharpoons H_2O(l)+CO_2(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

\(\mathrm{H_2(g)}\ +\)

\(\mathrm{I_2(g)}\)

\(\leftrightharpoons\)

\(\mathrm{2\ HI(g)}\ \)

c_\mathrm{a}
c_{\mathrm{tp}}
\Delta

Lähtöaineiden määrä vähenee.

Tuotteiden määrä lisääntyy.

+\ 2\cdot0{,}3
-0{,}3
-0{,}3
0{,}1
0{,}1
K=
\mathrm{\frac{[HI]^2}{[H_2]\cdot[I_2]}}
=\frac{0{,}6^2}{0{,}1\cdot0{,}1}
=36

Tasapainovakion ratkaiseminen

  1. Sijoitetaan tunnetut konsentraatiot taulukkoon.
  2. Lasketaan konsentraation muutos sille aineelle, josta tunnetaan alku- ja tasapainokonsentraatio.
  3. Päätellään muiden aineiden konsentraatioiden muutokset tasapainotetusta reaktioyhtälöstä.
  4. Lasketaan muiden aineiden tasapainokonsentraatiot.
  5. Muodostetaan tasapainovakion lauseke.
  6. 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

\(3\ \mathrm{H_2(g)}\ +\)

\(\mathrm{N_2(g)}\)

\(\leftrightharpoons\)

\(\mathrm{2\ NH_3(g)}\ \)

c_\mathrm{a}
c_{\mathrm{tp}}
\Delta
K=
\mathrm{\frac{[NH_3]^2}{[H_2]^3\cdot[N_2]}}
=\frac{(2x)^2}{(0{,}65-3x)^3(0{,}45-x)}
=172
-x
-3x
+2x
0{,}65-3x
0{,}45-x
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

  1. Kerätään tunnetut alkukonsentraatiot tasapainotaulukkoon.
  2. Kirjoitetaan muutoskonsentraatiot tasapainovakion taulukon toiselle riville.
  3. Kirjoitetaan alimmalle riville tasapainokonsentraatiot alku- ja muutoskonsentraatioiden avulla.
  4. Sijoitetaan tasapainokonsentraatiot tasapainovakion lausekkeeseen.
  5. 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 

\Delta H<0
\Delta H>0
  • systeemin lämpötila nousee
  • systeemin lämpötila laskee

Paineen muutos

  • Paine vaikuttaa reaktion tasapainoon vain, jos
    1. ​​reaktioon ottaa osaa kaasuja ja
    2. 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

\(\rightarrow\) 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

\(\rightarrow\) tuotteita syntyy lisää

\(\rightarrow\) tasapainotila tuotteiden puolella

N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g)

vähennetään tuotetta

\(\rightarrow\) etenevä reaktio nopeutuu

systeemi pyrkii kumoamaan muutoksen lisäämällä tuotetta

\(\rightarrow\) 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

\(\rightarrow\) etenevä reaktio nopeutuu, koska lähtöaineiden puolella on enemmän kaasumolekyylejä

systeemi pyrkii kumoamaan muutoksen siirtymällä siihen suuntaan, jossa on vähemmän kaasumolekyylejä

\(\rightarrow\) tuotteita syntyy lisää

\(\rightarrow\) tasapainotila tuotteiden puolella

\(\rightarrow\) tuotteita syntyy lisää

\(\rightarrow\) 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?

\(\rightarrow\) tuotteita syntyy lisää

\(\rightarrow\) tasapainotila tuotteiden puolella

N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g), ΔH = −92 kJ/mol

systeemi pyrkii kumoamaan muutoksen nopeuttamalla eksotermistä reaktiota

eksoterminen reaktio

\(\rightarrow\) etenevä reaktio nopeutuu

\(\rightarrow\) tuotteita syntyy lisää

\(\rightarrow\) 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:

\mathrm{N_2O_4(g)\leftrightharpoons 2\ NO_2(g)}

Eräässä lämpötilassa reaktio asettuu tasapainoon, kun tasapainokonsentraatiot ovat \(\mathrm{[N_2O_4]=0{,}64\ M}\) ja \(\mathrm{[NO_2]=0{,}055\ M}\).

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=\frac{[\mathrm{NO_2}]^2}{[\mathrm{N_2O_4}]}
=\frac{0{,}055^2}{0{,}64}
\approx0{,}0047

Lasketaan Q.

Q=\frac{[\mathrm{NO_2}]^2}{[\mathrm{N_2O_4}]}
=\frac{0{,}500^2}{0{,}64}
\approx0{,}39
Q>K

tasapaino siirtyy palautuvan reaktion suuntaan

Tasapaino

By Opetus.tv

Tasapaino

  • 126

More from Opetus.tv

  • Työkaluja ja toimintamalleja oppimisen ohjaamiseen lukio-opettajille, Pekka Peura 5.10.2024
    Opetus.tv
    130