3. Massevirkningsloven eller likevektsuttrykk for en likevekt

Transkript

1 apittel 8 jemisk likevekt 1. Reversible reaksjoner. Hva er likevekt? 3. Massevirkningsloven eller likevektsuttrykk for en likevekt 4. Likevektskonstanten (i) Hva sier verdien oss? (ii) Sammenhengen mellom reaksjonslignings skrivemåte og likevektskonstanten 5. Ulike typer reaksjonsligninger og likevektskonstanter (i) Homogen (ii) Heterogen 6. Likevektskonstant for gasslikevekter 7. Likevektsberegninger 8. Hvordan finne ut om et system er i likevekt? 9. Le Chatelier s prinsipp 10. Løselighetsprodukt (likevekt for oppløsning av faste stoff) (i) Løslighetsprodukt (beregninger) (ii) Fellesioneffekten (beregninger) (iii) Fellingsreaksjoner Hvordan forutsi om vi får utfelling?

2 apittel 8 jemisk likevekt 11. Reversible reaksjoner I (g) + H (g) HI(g) En reaksjon som kan gå både mot høgre og venstre 1. Hva er likevekt? En har likevekt når reaksjonen mot høgre går like fort som den mot venstre i en reversibel reaksjon. onsentrasjonene vil ikke endre seg når et system er i likevekt, men det er en dynamisk likevekt (reaksjonene stopper ikke). apittel 8 jemisk likevekt 13. Massevirkningsloven eller likevektsuttrykk for en likevekt Massevirkningsloven eller likevektsuttrykket gir sammenhengen mellom konsentrasjonene av produkt og reaktanter ved likevekt. Opphøy med Vi har en reaksjon: koeffisient CH 4 (g) + O (g) CO (g) + H O(g) = [ CO] [ HO ] [ CH ] [ O ] 4 Likevektskonstanten er alltid konsentrasjonene av produkter delt på konsentrasjonene av reaktanter. onsentrasjonene av de ulike forbindelsene blir opphøyet i sin koeffisient (tallet som står framom forbindelsen i reaksjonsligningen) Likevektskonstanten er spesifikk for en reaksjon (og hvordan reaksjonen er skrevet) og den er temperatur avhengig. 14. Likevektskonstanten (iii) Hva sier verdien oss? Eksempel: Vi ser på to ulike likevekter: (1) I (g) + H (g) HI(g) [ HI] [ I ] [ H ] = = 49,5

3 () N (g) + O (g) NO(g) [ NO] [ N ] [ O ] = = 4, (1) er relativt stor. Dette betyr at ved likevekt må der være mye av HI relativt til I og H. Likevekten er forskyvd mot produkt. () er liten. Dette betyr at ved likevekt må der være mye av N og O relativt til NO. Likevekten er forskyvd mot reaktanter. angir altså hvor mye produkt og reaktanter en har ved likevekt (tendensen en reaksjon har til å gå) (iv) Sammenhengen mellom reaksjonslignings skrivemåte og likevektskonstanten 1. Snur en reaksjonsligning 1: A Z : Z A Vi tar inverse av likevektskonstanten = 1 og A Z A. Ganger med et tall 1: A Z : A Z Vi opphøyer likevektskonstanten i samme tallet [ Z ] [ ] [ Z ] [ A] = = og 1 = [ A] [ ] [ Z] [ A] =, 1 = [ Z ] [ A] [ Z] 1 [ ] 1 = = 15. Ulike typer reaksjonsligninger og likevektskonstanter (iii) Homogen Alle stoffene i reaksjonen er i samme fase: N (g) + 3H (g) NH 3 (g) (iv) Heterogen Stoffene er i ulike faser: C(s) + O (g) CO (g) c = [ CO ] [ O ] PS! Faste stoff og rene væsker tas ikke med i likevektsuttrykket siden konsentrasjonen av de er konstant (så lenge som temperaturen er konstant). 16. Likevektskonstant for gasslikevekter Partiell trykket til gasser er proporsjonal med konsentrasjonen. P i = ni V RT Vi kan for likevekter som bare inneholder gasser (og faste stoff) bruke likevektsuttrykket med partiell trykk

4 H (g) + I (g) HI(g) NB! Partiell trykkene er gitt i atomsfære (atm) Sammenhengen mellom p og c = p ( P ) ( P )( P ) I HI H p = c ng ( RT ) Dn g = Skoeff(produkt) Skoeff(reaktanter) NB! Vi må bruke R = 0,0806 L atm/mol apittel 8 jemisk likevekt 17. Likevektsberegninger Dersom en vil finne konsentrasjoner ved likevekt må en gjøre likevekts beregninger. Vi må finne konsentrasjonene som oppfyller massevirkningsloven Setter opp likevektsskjema for å finne uttykk for konsentrasjonene ved likevekt. Eksempel: Vi har likevekten : HF(g) H (g) + F (g). Vi har en 0,100 M HF i en beholder. c = 1,0* Finn likevekts konsentrasjonene. Endringen av de ulike forbindelsene finner vi fra støkiometrien i reaksjonsligningen. HF(g) H (g) + F (g) Start 0,100 M 0 M 0 M Endring -X M X X M Likevekt 0,100-X M X X M Setter så disse konsentrasjonene ved likevekt inn i uttrykket for likevektskonstanten for å finne x (og dermed likevekts konsentrasjonene) [ ][ ] [ HF ] H F X X = = = 1,0 10 (0,100 X) 13 Er liten kan en anta at X mye mindre enn startkonsentrasjonene (og dermed stryke X i uttrykk der en har (tall ± X). Antagelsen er O dersom startkonsentrasjonene er mye større enn 400. c

5 I dette eksempelet vil det si at 0,100>>400*1, Hvordan finne ut om et system er i likevekt? H (g) + I (g) HI(g) Sammenligner Q (reaksjons kvotient) og. Q har det samme utrykket som, men konsentrasjonene trenger ikke være likevekts konsentrasjoner. [ ] [ ] HI HI c = Q = Q = Vi har likevekt [ I ][ H ] [ I ][ H ] Q > Vi har for mye produkt relativt til reaktant og reaksjonen vil gå mot venstre for å minke kons. av produktene Q < Vi har for mye av reaktantene og reaksjonen vil gå mot høgre for å minke konsentrasjonen av reaktantene 9. Le Chatelier s prinsipp Le Chatelier s prinsipp forteller oss i hvilke retning en reaksjon vil gå: Når et system i likevekt blir påført en ytre påvirkning, vil reaksjonen gå i den retningen som delvis opphever påvirkningen Med ytre påvirkning mener vi f. Eks.: endring av konsentrasjon, trykk, temperatur Endrer konsentrasjonen Reaksjonen vil gå i den retningen som delvis bruker opp reaktant/produkt tilsatt eller danner reaktant/produkt fjernet Eksempel: SO (g) + O (g) SO 3 (g) Vi tilsetter SO : Reaksjonen vil gå mot høgre for å fjerne noe av det SO vi har tilsett Endrer trykket Eksempel: SO (g) + O (g) SO 3 (g) P tot ( nso + n ) O + n SO RT n 3 tot RT = = V V Dersom en minker volumet vil trykket øke, systemet vil prøve å motvirke dette. Systemet kan minke trykket ved at det totale antall mol i systemet minker. Reaksjonen vil då gå i den retningen som gjør at en får færre gass molekyl (trykket vil då minke)

6 Vi har gass molekyl på venstre side medan vi har 3 på høgre. apittel 8 jemisk likevekt 9. Le Chatelier s prinsipp Le Chatelier s prinsipp forteller oss i hvilke retning en reaksjon vil gå: Når et system i likevekt blir påført en ytre påvirkning, vil reaksjonen gå i den retningen som delvis opphever påvirkningen Med ytre påvirkning mener vi f. Eks.: endring av konsentrasjon, trykk, temperatur Endring av temperatur Vi har to hovedtyper reaksjoner med hensyn på temperatur: Endoterm: En reaksjon som forbruker energi (varme) A + B + varme C + D Dersom en øker temperaturen i for dette systemet vil reaksjonen prøve å motvirke temperaturøkningen. Dette kan skje ved at reaksjonen går i den retningen som forbruker varme mot høgre Eksoterm: En reaksjon som avgir energi (varme) F + G H + I + varme Dersom en øker temperaturen i for dette systemet vil reaksjonen prøve å motvirke temperaturøkningen. Dette kan skje ved at reaksjonen går i den retningen som forbruker varme mot venstre 10. Løselighetsprodukt (likevekt for oppløsning av faste stoff) Mettet løsning: En har løst så mye av et stoff som det er mulig å løse (før en får dannet bunnfall fast stoff). Løselighet: Mengden løst stoff i en mettet løsning. Mettet løsning Fast stoff Det er stor variasjon i løseligheten til ulike ioniske forbindelser

7 (iv) Løslighetsprodukt (beregninger) Løselighetsproduktet forteller oss hvor mye ion av en forbindelse en kan ha i løsning (eller hvor mye fast stoff det er mulig å løse). Eksempel: Hva er den molareløseligheten til Mg(OH). Vi har likevekten: Mg(OH) (s) Mg + (aq) + OH - (aq) Løslighetsprodukt (massevirkningsloven): sp = [Mg + ][OH - ] = 1, sp avhengig av temperatur For å finne hvor mye stoff det er mulig å løse må en gjøre likevektsberegninger Mg(OH) (s) Mg + (aq) + OH - (aq) Start 0 M 0 M Endring -X +X +X Likevekt -X +X +X Setter likevektskonsentrasjonene inn i løselighetsproduktet og finner X sp = [Mg + ][OH - ] = X(X) = 1, X = 1, = [Mg(OH) (aq)] Den molare løseligheten til Mg(OH) er 1, M (v) Fellesioneffekten (beregninger) Løselighet av et stoff i en løsning som inneholder et av ion som stoffet selv danner. Eksempel: Hva er den molarløseligheten til AgCl i en 0,10 M HCl løsning. Vi skal studere følgende likevekt for å finne den molareløsligheten: AgCl(s) Ag + (aq) + Cl - (aq) sp = [Ag + ][Cl] = 1, Vi ser først på hvilke ion en HCl løsning inneholder. HCl spalter seg fullstendig etter følgende reaksjonsligning (kommer tilbake til denne type reaksjoner i kapittel 9): HCl (aq) + H O(l) H 3 O + (aq) + Cl - (aq) Så i en 0,10 M HCl løsning er der 0,10 M Cl - ion

8 Vi må ta hensyn til konsentrasjonen av Cl - ion fra HCl når vi ser på likevekten for oppløsning av AgCl. For å finne hvor mye stoff det er mulig å løse må en gjøre likevektsberegninger AgCl(s) Ag + (aq) + Cl - (aq) Start 0 M 0,10 M Endring +x M +x M Likevekt +x M (0,10 + x) M Setter likevektskonsentrasjonene inn i løselighetsproduktet og finner X sp = [Ag + ][Cl] = X(0,10+X) = 1, sp er liten så vi kan anta at X er liten relativt til 0,10 og dermed anta at (0,10 +X ) 0,10 X = 1, M = [AgCl (aq)] Den molare løseligheten til AgCl er 1, M (vi) Fellingsreaksjoner Hvordan forutsi om vi får utfelling? Fellingsreaksjon: Når en blander to løsninger og det blir dannet et fast stoff (bunnfall) Eksempel: Vi blander 100,0 ml 1, M Pb(NO 3 ) med 100,0 ml, M MgSO 4. Bli det dannet et bunnfall (hvilke bunnfall kan bli dannet)? Mulige bunnfall: PbSO 4 sp = 1, og/eller Mg(NO 3 ) - denne forbindelsen er lettløslig og det er lite sannsynlig at dette bunnfallet blir dannet. Dersom en får dannet et bunnfall så er det PbSO 4. Vi må se om konsentrasjonene av Pb + og SO 4 - er større enn det de er i en metteløsning (hvor mye ion en har i en mettet løsning kan en beregne fra løselighetsproduktet). For en mettet løsning av PbSO 4 har en følgende likevekt: PbSO 4 (s) Pb + (aq) + SO 4 - (aq) sp (PbSO 4 ) = [Pb + ][SO 4 - ]=1,

9 For å se om konsentrasjonene er større en likevektkonsentrasjonene innfører vi Q (reaksjonskvotient) Q har det samme uttrykket som sp men konsentrasjonene trenger ikke være likevektskonsentrasjoner. Q(PbSO 4 ) = [Pb + ][SO 4 - ] Vi sette inn de konsentrasjonene av Pb + og SO 4 - vi får etter blanding og ser og Q> sp (en får bunnfall dersom Q> sp ). Vi må beregne de nye konsentrasjonene av Pb + og SO 4 - etter blanding (vi får et større volum løsning etter blanding og konsentrasjonene vil da minke) før vi setter de inn i Q. Til dette kan vi bruke fortynningsloven: C 1 V 1 = C V. Vi vil finne de nye konsentrasjonene dvs. C =C 1 V 1 / V ) ,00 10 M 0,100L,00 10 M 0,100L 7 Q= Pb SO 4 = = 5,0 10 > 0,00L 0,00L Q>sp vi si at vi har mer ion enn det som er mulig i en mettet løsning dvs. det blir dannet et bunnfall sp