NEON 5 - Reaktiot ja tasapaino

Esitys aiheesta: "NEON 5 - Reaktiot ja tasapaino"— Esityksen transkriptio:

1 NEON 5 - Reaktiot ja tasapaino
Kurssin tavoitteena on, että opiskelija ymmärtää reaktion tasapainotilan muodostumisen ja osaa ratkaista siihen liittyviä laskennallisia tasapainosovelluksia ymmärtää tasapainon merkityksen ja tutustuu tasapainoon teollisuuden prosesseissa ja luonnon ilmiöissä osaa tutkia kokeellisesti ja malleja käyttäen kemialliseen tasapainoon liittyviä ilmiöitä. Kurssin keskeiset sisällöt ovat: reaktiotasapaino happo-emästasapaino, vahvat ja heikot protolyytit, puskuriliuokset ja niiden merkitys liukoisuus ja liukoisuustasapaino tasapainoon liittyvät graafiset esitykset.

2 Kemiallinen tasapaino
Voiko tilanne, jossa makroskooppisesti ei tapahdu muutosta, mutta mikroskooppisesti tapahtuu, esiintyä kemiallisissa reaktioissa? Mitä merkitystä on kemiallisella tasapainolla? Miten kemialliseen tasapainoon voidaan vaikuttaa?

3 Reaktion kulku Lähtöaineita kuluu → reaktionopeus pienenee
Konsentraatio Tasapainotila Tuotteita muodostuu → reaktionopeus kasvaa Aika

4 Tasapaino Homogeenisessa tasapainossa aineet ovat samassa faasissa.
kaasu = (g) neste = (l) kiinteä = (s) Homogeenisessa tasapainossa aineet ovat samassa faasissa. Esim. N2O4(g) NO2(g) Heterogeenisessa tasapainossa on läsnä ainakin kahta eri faasia. kaksoisnuoli

5 Tasapaino

6 Tasapaino c(N2O4) c(NO2) [N2O4] [NO2] [NO2]/[N2O4] [NO2]2/[N2O4] 0,670
Alkukonsentraatio (mol/dm3) Tasapainokonsentraatio (mol/dm3) Konsentraatioiden suhde tasapainotilassa (mol/dm3) c(N2O4) c(NO2) [N2O4] [NO2] [NO2]/[N2O4] [NO2]2/[N2O4] 0,670 0,000 0,643 0,0547 0,851 4,65 ∙ 10−3 0,500 0,0300 0,491 0,0475 0,967 4,60 ∙ 10−3 0,600 0,0400 0,594 0,0523 0,0880 0,200 0,0898 0,0204 0,227 4,63 ∙ 10−3

7 Alkukonsentraatiosta tasapainokonsentraatioon

8 Tasapainovakio, K N2O4(g) ⇌ 2 NO2(g)
Tasapainovakio K on reaktiolle ominainen, lämpötilasta riippuva vakio. Tulee tuntea reaktioyhtälö, kertoimet ja olomuodot! N2O4(g) ⇌ 2 NO2(g) Tasapainovakioon sijoitetaan tasapainokonsentraatiot [ ].

9 Massavaikutuksen laki
aA + bB ⇌ cC + dD Jos K > 1, reaktio etenee tuotteiden puolelle. Jos K < 1, tuotteita on tasapainotilassa vähemmän kuin lähtöaineita. K ei ilmaise reaktion nopeutta, tasapainotilan saavuttaminen voi kestää sekunteja tai vuosia

10 Tasapainovakion yksikkö
riippuu reaktiosta N2O4(g) ⇌ 2 NO2(g) Yksikkö: H2(g) + I2(g) ⇌ 2 HI(g) Yksikkö: EI YKSIKKÖÄ!

11 Tasapainoasema ja K:n arvo

12 Esimerkki 1.1 Missä seuraavista tasapainoreaktioista on tasapainotilassa a) pääosin vain tuotteita, b) pääosin vain lähtöaineita, c) huomattavia määriä sekä tuotteita että lähtöaineita? H2(g) + I2(g) ⇌ 2 HI(g) K = 54 2 CO2(g) ⇌ 2 CO(g) + O2(g) K = 31 ∙ 10−18 mol/dm3 PCl5(g) ⇌ PCl3(g) + Cl2(g) K = 97 mol/dm3 2 O3(g) ⇌ 3 O2(g) K = 5,9 ∙ 1055 mol/dm3 Ratkaisu Ainoastaan kohdan 4 reaktiossa K on lukuarvoltaan niin suuri, että siinä on pääosin vain tuotteita. Kohdan 2 reaktiossa K on lukuarvoltaan niin pieni, että siinä on pääosin vain lähtöaineita. Kohtien 1 ja 3 reaktioissa K:n lukuarvot ovat välillä 10−3 ≤ K ≤ 103, jolloin voidaan olettaa, että tasapainotilassa on merkittäviä määriä sekä lähtöaineita että tuotteita.

13 Esimerkki 1.2 Kirjoita tasapainovakion K lauseke seuraaville tasapainoreaktioille. 2 NO(g) + O2(g) ⇌ 2 NO2(g) H2O(g) + CO(g) ⇌ H2(g) + CO2(g) Ratkaisu a) yksikkö b) yksikkö Yksiköt supistuvat pois vakion lausekkeesta.

14 Esimerkki Etenevän reaktion tasapainovakion lauseke reaktiolle
2 SO2(g) + O2(g) ⇌ 2 SO3(g) on ja palautuvan reaktion tasapainovakion lauseke on Käänteisten reaktioiden tasapainovakiot ovat toistensa käänteislukuja.

15 Esimerkki 1.3 Reaktion CO(g) + Cl2(g) ⇌ COCl2(g) tasapainovakion K arvo 395 ˚C:ssa on 1,2 ∙ 103 dm3/mol. Jos Cl2:n ja COCl2:n tasapainokonsentraatiot ovat yhtä suuret 395 ˚C:ssa, mikä on CO:n konsentraatio tasapainotilassa? Ratkaisu Kirjoitetaan tasapainovakion K lauseke: Koska Cl2:n ja COCl2:n tasapainokonsentraatiot ovat yhtä suuret, termit supistuvat pois yhtälöstä ja saadaan Ratkaistaan CO:n konsentraatio:

16 Esimerkki 1.4 Vetykaasun (0,500 mol) ja jodikaasun (0,500 mol) seos pantiin ruostu-mattomasta teräksestä valmistettuun 1,00 litran astiaan 430 ˚C:ssa. Reak-tion H2(g) + I2(g) ⇌ 2 HI(g) tasapainovakion K arvo on 54,3 kyseisessä lämpötilassa. Laske H2:n, I2:n ka HI:n konsentraatiot, kun tasapainotila oli asettunut. Ratkaisu, vaihe 1 Merkitään −x:llä H2:n ja I2:n konsentraatioiden vähenemistä. Kootaan alkutilanne ja muutokset taulukkoon:

17 Esimerkki 1.4 Ratkaisu, vaihe 2 Reaktion tasapainovakion lauseke on
Sijoitetaan yhtälöön tasapainovakion arvo ja yhdisteiden konsentraatiot tasapainossa. Saadaan ja edelleen x = 0,393 mol/dm3 vaihe 3 Tasapainotilassa [H2] = (0,500 − 0,393) mol/dm3 = 0,107 mol/dm3 [I2] = 0,107 mol/dm3 ja [HI] = 2 ∙ 0,393 mol/dm3 = 0,786 mol/dm3

18 Esimerkki 1.5 Korkeassa lämpötilassa typpi N2 ja happi O2 reagoivat keskenään ja tuottavat typpimonoksidia NO. Reaktiota tutkittiin johtamalla tyhjiöityyn 8,00 litran säiliöön 1,00 mol typpeä ja 0,85 mol happea, minkä jälkeen säiliön lämpötila nostettiin yli 2000 ˚C:seen. Mitkä ovat seoksen tasapainokonsentraatiot tutkitussa lämpötilassa, jossa reaktion tasapainovakion arvo on 0,0123?

19 Esimerkki 1.5 Ratkaisu, vaihe 1 vaihe 2
Tasapainovakion lauseke on Sijoitetaan yhtälöön ainemäärät: 0,0123(1,00 − x)(0,85 − x) = 4x2 3,9877 x2 + 0, x − 0, = 0 Laskimella saadaan x1 = −0,0541 ja x2 = 0,0484. oikea ratkaisu, sillä toinen juuri on mahdoton

20 Esimerkki 1.5 vaihe 3 Tasapainokonsentraatiot ovat

21 a) 2 SO2(g) + O2(g) ⇌ 2 SO3(g) TEHTÄVÄ 2 Tarkastele lähtöaineiden ja tuotteiden konsentraatioissa tapahtuvia muutoksia seuraavissa tasapainoreaktioissa. Miksi konsentraatioissa ei enää tietyn ajankohdan jälkeen tapahdu muutosta? c) b) 2 SO3(g) ⇌ 2 SO2 + O2(g) 3 H2(g) + N2(g) ⇌ 2 NH3(g)

22 TEHTÄVÄ 19 a) Miksi kaasun paine nousee aluksi astiassa, mutta pysyy hetken kuluttua vakiona? Kirjoita tasapainoreaktion yhtälö ja tasapainovakion lauseke. Onko kalsiumkarbonaatin määrällä vaikutusta tasapainovakion arvoon? b) Miksi tässä systeemissä vallitsevaa tasapainotilaa kutsutaan heterogeeniseksi tasapainoksi? Kirjoita tasapainoreaktion yhtälö ja tasapainovakion lauseke.

23 Tasapainoaseman muuttaminen
Le Châtelier’n periaate: Jos tasapainotilassa olevaan systeemiin kohdistetaan ulkoinen pakote, tapahtuu muutos, joka vähentää pakotteen vaikutusta. Suureita, joiden vaikutuksen arviointiin Le Châtelier’n periaatetta käytetään: lämpötila, konsentraatio ja paine.

24 Konsentraation muuttaminen
Ruskeankeltaiset rauta(III)ionit reagoivat värittömien tiosyanaatti-ionien kanssa reaktioyhtälön Fe3+(aq) + SCN−(aq) ⇌ [Fe(SCN)]2+(aq) mukaan. [Fe(SCN)]2+(aq) K(SCN) oksaalihappo + HgCl + FeCl [Fe(C2O4)3]3− [Hg(SCN)4]2−

25 Esteröitymisreaktio CH3COOH(l) + CH3CH2OH(l)
⇌ CH3COOCH2CH3(l) + H2O(l) Esterin muodostuminen lisääntyy lähtöineiden (alkoholin) konsentraatiota kasvattamalla reaktiotuotteiden (veden) konsentraatiota pienentämällä tuotetta poistamalla.

26 Konsentraation muuttaminen
Le Châtelier’n periaate reaktiossa N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g). Kun ammoniakkia lisätään, systeemi vastustaa muutosta. Jotta ammoniakin määrä vähenisi, sen täytyy reagoida typpi- ja vetykaasuksi, kunnes uusi tasapaino asettuu.

27 Esimerkki 1.6 a) Oheiseen taulukkoon on koottu esterisynteesin ainemäärät alussa ja tasapainotilassa. Mikä on tasapainovakion arvo kyseisen synteesin lämpötilassa? Ratkaisu Merkitään reaktioseoksen kokonaistilavuutta V:llä.

28 Esimerkki 1.6 b) Oletetaan, että tasapainoseoksesta otetaan vettä pois siten, että sen ainemääräksi jää vain 1 mol. Mitkä ovat uuden tasapainotilan lähtöaineiden ja tuotteiden ainemäärät? Ratkaisu 3x2 − 11x + 2 = 0 n(CH3COOH) = 1 mol − 0,19 mol ≈ 0,8 mol x1 = 3,47 mol ja x2 = 0,19 n(CH3CH2OH) = 1 mol − 0,19 mol ≈ 0,8 mol n(CH3COOCH2CH3) = 2 mol + 0,19 mol ≈ 2,2 mol n(H2O) = 1 mol + 0,19 mol ≈ 1,2 mol MAHDOTON!

29 Esimerkki 1.7 a) Rikkidioksidia (2,0 mol) hapetettiin rikkitrioksidiksi 2,0 litran astiassa 1,0 moolilla happea. Rikkitrioksidin ainemäärä tasapainossa oli 1,54 mol. Laske reaktion tasapainovakion arvo kokeen lämpötilassa. Ratkaisu

30 Esimerkki 1.7 b) Kuinka monta moolia happea reaktioseokseen on lisättävä, jotta rikkitrioksidin määrä tasapainoseoksessa olisi 1,64 mol? Ratkaisu 1,3448 dm3 = 3,1574 dm3/mol ∙ x + 0,5683 dm3 x = 0,2459 mol ≈ 0,25 mol

31 Esimerkki 1.8 a) Tarkastellaan tasapaino reaktiota 2 SO2(g) + O2(g) ⇌ SO3(g). Laske tasapainovakion arvo. Reaktioseos on 10 litran umpinaisessa astiassa ja tasapainossa [SO3] = 0,68 mol/dm3, [O2] = 0,16 mol/dm3 ja [SO2] = 0,32 mol/dm3. Ratkaisu

32 Esimerkki 1.8 a) Mitä tapahtuu, kun reaktioseokseen lisätään 1,00 mol SO3:a? Ratkaisu Sijoitetaan arvo tasapainovakion lausekkeeseen. Arvo on suurempi kuin K, joten reaktio ei ole tasapainossa. Le Châtelier’n periaatteen mukaisesti SO3:n konsentraation täytyy pienentyä ja SO2:n ja O2:n konsentraatioiden kasvaa. Tämä toteutuu, kun osa SO3:sta muuttuu takaisin SO2:ksi ja O2:ksi.

33 Paineen muuttaminen Kaasujen yleinen tilanyhtälö on pV = nRT,
jossa p = kaasuseoksen kokonaispaine (Pa) V = tilavuus (m3) n = ainemäärä (mol) R = yleinen kaasuvakio ( J/(Kmol) ) T = lämpötila (K) Mitä suurempi tilavuus, sitä pienempi paine, kun ainemäärä on sama. Paine on suoraan verrannollinen ainemäärään.

34 Paineen muuttaminen N2O4(g) ⇌ 2 NO2(g) Tilavuuden pienentyessä reaktio
tapahtuu suuntaan, jossa kaasujen kokonaisainemäärä on pienempi.

35 Esimerkki 1.9 a) Reaktioseoksen painetta nostetaan pienentämällä astian tilavuutta. Mikä vaiku-tus sillä on reaktion PCl5(g) ⇌ PCl3(g) + Cl2(g) tasapainoasemaan? Ratkaisu Tasapaino siirtyy lähtöaineen puolelle, koska näin kaasuseos vastustaa ulkoista pakotetta. Kaasuseoksen kokonaisainemäärä pienenee, kun reaktiota tapahtuu lähtöaineen suuntaan. Tilannetta voidaan tarkastella myös seuraavasti: kun tilavuus pienenee, konsentraatiot kasvavat. K:n lauseke on Kun tasapainotilassa olevan systeemin tilavuutta pienennetään, täytyy tuottei-den ainemäärien pienentyä ja lähtöaineen samalla kasvaa, jotta osamäärällä säilyisi vakioarvo vakiolämpötilassa. Näin tapahtuu, jos tasapaino siirtyy lähtöaineiden puolelle.

36 Esimerkki 1.9 b) Reaktioseoksen painetta nostetaan pienentämällä astian tilavuutta. Mikä vaikutus sillä on reaktion H2(g) + CO2(g) ⇌ H2O(g) + CO(g) tasapainoasemaan? Ratkaisu Tasapainovakion K lauseke on josta sieventämällä saadaan lauseke, joka on tilavuudesta riippumaton. Kaasuseoksen kokonaisainemäärä ei muutu kumpaankaan suuntaan, eikä paineella ole vaikutusta reaktion tasapainoasemaan.

37 Esimerkki 1.9 a) Reaktioseoksen painetta nostetaan pienentämällä astian tilavuutta. Mikä vaikutus sillä on reaktion PbS(s) + 3 O2(g) ⇌ 2 PbO(s) + 2 SO2(g) tasapainoasemaan? Ratkaisu Tasapaino siirtyy tuotteiden puolelle, koska näin kaasuseos vastustaa pakotetta. Kaasuse-oksen kokonaisainemäärä pienenee, kun reaktiota tapahtuu tuotteiden suuntaan. Tilannetta voidaan tarkastella myös seuraavasti: kirjoitetaan K:n lauseke, jossa otetaan huomioon vain kaasumolekyylit. Kun tasapainotilassa olevan systeemin tilavuutta pienennetään, täytyy lähtöaineista hapen ainemäärän pienentyä ja tuotteista rikkidioksidin samalla kasvaa, jotta osamäärällä säilyi-si vakioarvo vakiolämpötilassa. Näin tapahtuu, jos tasapaino siirtyy tuotteiden puolelle.

38 Lämpötilan muuttaminen
Tasapainossa olevassa reaktioseoksessa: lämpötilan nosto reaktio etenee endotermisen reaktion suuntaan (ΔH > 0) eli energiaa kuluu lämpötilan lasku reaktio etenee eksotermisen reaktion suuntaan (ΔH < 0) eli energiaa vapautuu

39 Esimerkki 1.10 Ammoniakkisynteesi on eksoterminen reaktio:
N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g), ΔH = −92 kJ. Perustele, miten tasapainoasema muuttuu, kun lämpötilaa nostetaan. Ratkaisu Le Châtelier’n periaatteen mukaisesti systeemi vastustaa muutos-ta, joten lämpötilan nostaminen suosii reaktiota, jossa lämpöä si-toutuu eli palautuvaa reaktiota. Reaktioseos saavuttaa uuden tasa-painoaseman, joka on enemmän lähtöaineiden puolella.

40 Katalyytin vaikutus Esimerkki 1.11
Tarkastele katalysoimattoman tasapainoreaktion N2(g) + O2(g) ⇌ 2 NO(g) etenevän ja palautuvan reaktion nopeuden muutosta ajan funktiona. Miten kuvaaja muuttuu ja miksi, kun reaktiossa käytetään katalyyttiä?

41 Esimerkki 1.11 Ratkaisu Sekä etenevän että palautuvan reaktion nopeudet kasvavat ja reaktiot saavuttavat tasapainoaseman nopeammin kuin ilman katalyyttiä.

42 Tasapainoon vaikuttavat tekijät
Tasapainoreaktioon voidaan vaikuttaa muuttamalla lämpötilaa tasapainovakion K arvo muuttuu muuttamalla reaktioseoksen konsentraatiota tai kaasureaktioissa painetta tilavuutta pienentämällä tai suurentamalla tasapainokonsentraatiot muuttuvat K ei muutu käyttämällä katalyyttiä nopeuttaa tasapainotilan saavuttamista ei vaikuta K:n arvoon eikä tasapainokonsentraatioihin

43 TEHTÄVÄ 40 Tarkastele tasapainotilaa seuraavissa systeemeissä:
Kirjoita jokaiselle systeemille tasapainotilaa kuvaava reaktioyhtälö. Selitä, mitä tapahtuu, jos 1. nestemäistä bromia lisätään systeemiin A 2. vettä poistetaan systeemistä B 3. vetyä lisätään systeemiin C Missä systeemissä vallitsee homogeeninen tasapaino? Kirjoita tasapainovakion lauseke tälle systeemille.