Sammendrag, forelesning onsdag 17/ Likevektsbetingelser og massevirkningsloven

Like dokumenter
KJ1042 Grunnleggende termodynamikk med laboratorium. Eksamen vår 2013 Løsninger

3. Massevirkningsloven eller likevektsuttrykk for en likevekt

2. Kjemisk likevekt Vi har kjemisk likevekt når reaksjonen mot høgre og venstre går like fort i en reversibel reaksjon.

Definisjoner Brønsted, En syre er et stoff som kan spalte av protoner En base er et stoff som kan ta opp protoner

Kjemisk likevekt. La oss bruke denne reaksjonen som et eksempel når vi belyser likevekt.

KJ1042 Grunnleggende termodynamikk med laboratorium. Eksamen vår 2011 Løsninger

Universitetet i Oslo Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Kapittel 9 Syrer og baser

KJ1042 Grunnleggende termodynamikk med laboratorium. Eksamen vår 2012 Løsninger

Når vi snakker om likevektskonstanter for syrer og baser så er det alltid syren eller basen i reaksjon med vann

Universitetet i Oslo Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet løsningsforslag

Syrer og baser. Et proton er et hydrogenatom som har mistet sitt eneste elektron. Det beskrives som H +, en positiv ladning.

Oppgave 1 (35 poeng) 1. uttak til den 38. Kjemiolympiaden, Fasit og poengberegning. 1) D 2) B 3) A 4) A 5) D 6) C 7) D 8) C

Fasit til norsk finale

Løsningsforslag til øving 10

Innhold. Forord... 11

- Kinetisk og potensiell energi Kinetisk energi: Bevegelses energi. Kinetiske energi er avhengig av masse og fart. E kin = ½ mv 2

EKSAMEN I FY1005 og TFY4165 TERMISK FYSIKK: LØSNINGSFORSLAG

KJ1042 Øving 12: Elektrolyttløsninger

3. Balansering av redoksreaksjoner (halvreaksjons metoden)

1. UTTAKSPRØVE. til den 44. Internasjonale Kjemiolympiaden i Washington DC, USA. Oppgaveheftet skal leveres inn sammen med svararket

Fasit til norsk finale for uttak til den. 41. internasjonale kjemiolympiaden i Cambridge, England, juli 2009

LØYSINGSFORSLAG, eksamen 20. mai 2015 i fag TEP4125 TERMODYNAMIKK 2 v. Ivar S. Ertesvåg, mai 2015/sist revidert 9.juni 2015.

9 SYRER OG BASER. Syre: HCl H (aq) + Cl (aq) Her er Cl syreresten til HCl. Arrhenius' definisjon begrenser oss til vannløsninger.

EKSAMENSOPPGAVE. Kalkulator «Huskelapp» -A4 ark med skrift på begge sider Enkel norsk-engelsk/engelsk-norsk ordbok

Eksamen. Emnekode: KJEMI1/FAD110. Emnenavn: Kjemi 1. Dato: Tid (fra-til): Tillatte hjelpemidler: Kalkulator, KjemiData.

EKSAMENSOPPGAVE I FYS-2001

UNIVERSITETET I OSLO

1. Oppgaver til atomteori.

Norsk finale Fasit

Universitetet i Oslo Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

LØSNINGSFORSLAG TIL ØVING NR. 6, HØST 2009

1. UTTAKSPRØVE. til den 45. Internasjonale Kjemiolympiaden i Moskva, Russland

Auditorieoppgave nr. 1 Svar 45 minutter

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMENSOPPGAVE. Oppgavesettet er på 8 sider inklusive forside. Kontaktperson under eksamen: Prof. Richard Engh Telefon:

Side 1 av 3/nyn. Kontakt under eksamen: Ivar S. Ertesvåg, tel. (735) EKSAMEN I FAG TEP4125 TERMODYNAMIKK mai 2015 Tid:

EKSAMEN TMT4112 KJEMI

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMENSOPPGAVE. Eksamen i: Kje-1005 Termodynamikk og Kinetikk Dato: Torsdag 6.juni 2013 Tid: Kl 09:00 14:00 Sted: Teorifagbygget, hus 1, plan 3

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamensoppgave i TMT4110 Kjemi

EKSAMENSOPPGAVE. Vil det bli gått oppklaringsrunde i eksamenslokalet? Svar: JA Hvis JA: ca. kl. 10:00 og kl. 12:30

1. UTTAKSPRØVE. til den 1. Nordiske kjemiolympiaden. i København

EKSAMENSOPPGAVE I KJE-1001

KJ1042 Øving 5: Entalpi og entropi

Prøveeksamen i Fysikk/kjemi Løsningsforslag Prøve 8

KANDIDATEN MÅ SELV KONTROLLERE AT OPPGAVESETTET FULLSTENDIG

EKSAMEN TMT4112 KJEMI

Universitetet i Oslo

1. UTTAKSPRØVE. til den. 42. Internasjonale Kjemiolympiaden 2010 i Tokyo, Japan

Kapittel 12. Brannkjemi Brannfirkanten

Studie av overføring av kjemisk energi til elektrisk energi og omvendt. Vi snakker om redoks reaksjoner

EKSAMENSOPPGAVE. Adm. bygget B154. Enkel lommeregner. Rute. Dr. Maarten Beerepoot

EKSAMENSOPPGAVE. Eksamen i:kje-1005 Termodynamikk og kinetikk Dato: Torsdag 05. juni 2014 Tid: Kl 09:00 14:00 Sted: Teorifagbygget, hus 1, plan 2

Oppgave 1 V 1 V 4 V 2 V 3

1 J = cal = energi som trengs for å løfte 1 kg 1m mot en 1N kraft, eller 100 g 1meter mot tyngdekraften (10N) (ett eple en meter)

EKSAMENSOPPGAVE. KJE-1001 Introduksjon til kjemi og kjemisk biologi

EKSAMEN TMT4110 og TMT4112 KJEMI

Fasit oppdatert 10/9-03. Se opp for skrivefeil. Denne fasiten er ny!

FLERVALGSOPPGAVER REAKSJONSFART, LIKEVEKT OG LØSELIGHET

Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet, Trondheim Institutt for kjemi. Bokmål Student nr.:

EKSAMEN I TMT4105 KJEMI

Universitetet i Oslo Det matematisk -naturvitenskapelige fakultet

UNIVERSITETET I OSLO

T 2. + RT 0 ln p 2 K + 0, K ln. kg K. 2) Først må vi nne massestraumen av luft frå energibalansen: 0 = ṁ 1 (h 1 h 2 ) + ṁ 3 (h 3 h 4 ) kg s

Kjemi og miljø. Elektrokjemi Dette kompendiet dekker følgende kapittel i Rystad & Lauritzen: 10.1, 10.2, 10.3, 10.4 og 10.5

Kap 4. Typer av kjemiske reaksjoner og løsningsstøkiometri

EKSAMENSOPPGAVE. Eksamen i: KJE-1005 Termodynamikk og kinetikk Dato: Torsdag 24. mai 2012 Tid: Kl 09:00 14:00 Sted: Åsgårdveien 9

gass Faglig kontakt under eksamen/fagleg kontakt under eksamen: Professor Edd A.Blekkan, tlf.:

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet, Trondheim Institutt for kjemi. Bokmål Student nr.:

1. UTTAKSPRØVE. Oppgavene besvares på svararket på side 2 og hele oppgaveheftet skal leveres inn.

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN MAI 2006

EKSAMENSOPPGAVE. Fag: Generell og uorganisk kjemi. Faglig veileder: Kirsten Aarset Eksamenstid, fra - til: LO 400 K.

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN AUGUST 2007

hvor s er målt langs strømningsretningen. Velges Darcy enheter så har en

Finalerunde Kjemiolympiaden 2002 Blindern 19. april 2002 Kl

Universitetet i Oslo Det matematisk -naturvitenskapelige fakultet

Vi ønsker å bestemme konsentrasjonen av to forskjellige spesier som begge absorberer. Ni 510

KJ1000 Generell kjemi

MENA1001 Deleksamen 2017 Forside

T L) = H λ A T H., λ = varmeledningsevnen og A er stavens tverrsnitt-areal. eks. λ Al = 205 W/m K

Matematisk statistikk og stokastiske prosesser B, høsten 2006 Løsninger til oppgavesett 5, s. 1. Oppgave 1

FLERVALGSOPPGAVER STØKIOMETRI

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Elektrokjemi: Studie av overføring av kjemisk energi til elektrisk energi og omvendt.

KJM1100 Generell kjemi

FLERVALGSOPPGAVER SYRER OG BASER

Løsningsforslag til øving 5

4 Viktige termodynamiske definisjoner ΔG = ΔH - T ΔS

EKSAMEN I FAG TEP4125 TERMODYNAMIKK 2 Laurdag 17. august 2013 Tid:

Studium/klasse: Masterutdanning i profesjonsretta naturfag. 8 (inkludert denne og vedlegg)

x 1 x 3 = 0 4x 1 2x 4 = 0 2x 2 2x 3 x 4 = 0

P (v) = 4π( M W 2πRT ) 3 2 v 2 e Mv 2 2RT

Natur og univers 3 Lærerens bok

Kapittel 17 Mer om likevekter

UNIVERSITETET I OSLO

ECON2200: Oppgaver til for plenumsregninger

Transkript:

Sammendrag, forelesning onsdag 17/10 01 Kjemisk likevekt og minimumspunkt for G Reaksjonsligningen for en kjemisk reaksjon kan generelt skrives: ν 1 X 1 + ν X +... ν 3 X 3 + ν 4 X 4 +... 1) Utgangsstoffer Produkter der ν i kalles støkiometriske koeffisienter. I en kjemisk reaksjon vil Gibbs fri energi, gitt ved: G = U TS + PV = Σ i N i µ i ) alltid ha et minimum for mengder av stoffene som tilsvarer delvis gjennomført reaksjon, fra utgangsstoffer til produkter. Dette skyldes bidraget fra blandingsentropien, S blanding x) der x er gjennomføringsgrad av reaksjonen x = 0: rene utgangsstoffer, x = 1: rene produkter). G vil falle med derivert i punktet x = 0 og stige med derivert + i punktet x = 1. Minimum må derfor ligge et sted i mellom, i intervallet 0 < x < 1. Likevektsbetingelser og massevirkningsloven Ved likevekt, der G har et minimumspunkt, gjelder for fast T og P: dg = SdT + V dp + Σ i µ i dn i = Σ i µ i dn i = 0 3) der dn i er støkiometriske koeffisienter med fortegn, for utgangsstoffer og + for produkter. Kjemisk potensiale for ideelle gasser kan ved gitt partialtrykk P i og temperatur T uttrykkes: µ i T, P) = µ i T, ) + kt ln P i 4) der referansetrykket normalt er 1 bar 1 atm), P i er partialtrykket for gass i, og det totale trykket er P = Σ i P i. 1

Innsetting av dette uttrykket i likevektsbetingelsen gir: Σ i dn i µ i T, ) = dgt, ) = ktσ i dn i ln P i = ktσ i ln P i der dgt, ) = Σ i µ i T, )dn i er endring i Gibbs fri energi når reaksjonen skjer for 1 sett molekyler ved temperatur T og partialtrykk P i lik referansetrykk for alle gassene. Generelt gjelder at dgt, ) 0. Eksponensiering gir ligningen: Π i P i dn i 5) dn i = e GT, ) RT R = N A k) 6) eller, ved inndeling i utgangsstoffer venstre side av reaksjonsligningen) og produkter høyre side): Π ) Pi dn i i,produkt Π i,utgangsstoff Pi ) dn i = e GT, ) RT = KT) 7) der GT, ) er endring i Gibbs fri energi når reaksjonen skjer for N A sett molekyler 1 mol) slik reaksjonsligningen er skrevet, ved temperatur T og P i = for alle gassene. K = KT) er en konstant for reaksjonen ved gitt temperatur T. Denne ligningen kalles massevirkningsloven. Eksempel: For reaksjonen mellom nitrogen og hydrogen til ammoniakk: uttrykkes massevirkningsloven som: N + 3H NH 3 8) PNH 3 P0 P N PH 3 = e GT, ) RT = KT) 9) Alternativt kan man definere tettheter / konsentrasjoner ρ i = N i V for de reagerende stoffene, samt referansetettheter / konsentrasjoner ρ 0, og sette: Π ) ρi dn i i,produkt ρ 0 Π i,utgangsstoff ρi ρ 0 ) dn i = e GT,ρ 0 ) RT = KT) 10)

Dette uttrykket kan brukes for fortynnede løsninger på samme måte som for ideelle gasser. Le Chatelier s prinsipp: Kvalitativ tolkning av massevirkningsloven: Når et system i likevekt forstyrres, vil det respondere på en måte som delvis opphever forstyrrelsen. Kjemisk likevekt ved trykkforandringer: Dersom man tilsetter mer av et av de reagerende stoffene slik at dettes partialtrykk P i øker, vil reaksjonen gå mot høyre eller mot venstre slik at likevekt gjenopprettes og produktet av deltrykk som definert av massevirkningsloven, fortsatt gir likevektskonstanten KT). Dersom totaltrykket P = Σ i P i endres, vil reaksjonen også gå mot høyre eller mot venstre slik at likevekt gitt ved KT) gjenopprettes. Dersom P økes, vil systemet redusere antall molekyler om mulig, i forsøk på å returnere til et lavere totaltrykk. Eks. for reaksjonen mellom nitrogen og hydrogen til ammoniakk: skrives massevirkningsloven på formen: N + 3H NH 3 11) PNH 3 P0 P N PH 3 = e GT, ) RT = KT) 1) Ved dobling av partialtrykkene for N og H, vil partialtrykket for NH 3 firedobles ved produksjon av mer NH 3 ) for at likevekt skal opprettholdes. Økning i totaltrykket vil gi produksjon av mer NH 3. Kjemisk likevekt ved temperaturforandringer: Likevektskonstanten KT) ved temperatur T er gitt ved: KT) = e GT, ) RT ; GT, ) = HT, ) T ST, ) 13) Siden HT, ) og ST, ) for reaksjonen vanligvis varierer lite med tem- 3

peraturen, får vi van t Hoff-ligningen for temperaturavhengigheten i KT): lnkt) = HT, ) RT + ST, ) R dlnk) dt HT, ) RT 14) For en reaksjon som frigjør varme H < 0), synker K med stigende T reaksjonen stanser tidligere for å unngå ytterligere temperaturøkning), mens for en reaksjon som absorberer varme H > 0), øker K med stigende T for å bruke opp varmen. For GT, ) < 0 er KT) = e GT, ) RT større enn 1 likevekt forskjøvet i retning produktene), og for GT, ) > 0 er KT) mindre enn 1 likevekt forskjøvet i retning utgangsstoffene). Når T blir høy nok, vil KT) gå mot 1 h.h.v. ovenfra og nedenfra, tilsvarende halvgått reaksjon. Ved minimalisering av G = U TS + PV ved høy T, blir det relativt sett viktigere med høy entropi S der blandingsentropi er et spesielt viktig bidrag) enn med lav energi. Blandingsentropi har typisk maksimum ved 50-50-fordeling. Dissosiasjon av vann, ph Vandige løsninger: Referansekonsentrasjonen ρ 0 av løst stoff er normalt 1 mol stoff pr. kg løsningsmiddel. Massevirkningsloven anvendt på dissosiasjonen av vann: gir likevektsbetingelsen: H O H + + OH 15) xh + )xoh ) = 1.0 10 14 16) der x i = ρ i ρ 0 er antall mol ioner pr. kg vann. Ved tilsetning av syrer H + ) eller baser OH ) til løsningen, vil konsentrasjonen av den andre ionetypen reduseres ved rekombinasjon til H O) slik at produktet fortsatt blir lik 1.0 10 14. Størrelsen ph er definert: som er 7 for reint vann. ph = log[xh + )] 17) 4

I sure løsninger er ph < 7, i basiske løsninger er ph > 7. Ionisering av hydrogen Ionisering av atomært hydrogen har reaksjonsligningen: H p + + e 18) Både atomært hydrogen og de ladde partiklene kan betraktes som ideelle gasser. Massevirkningsloven for ioniseringsreaksjonen kan uttrykkes ved de kjemiske potensialene: Pp + )Pe ) PH) = e GT, ) RT = e µt, ) kt 19) Her må de kjemiske potensialene ta hensyn til både termiske bidrag og hvileenergier: µ i = µ i,termisk + m i c = kt ln og µt, ) kan uttrykkes: kt P πm ikt h 3 + m i c 0) µt, ) = µ termisk T, ) + m p + m e m H )c = 1) µ termisk T, ) + I der ionisasjonsenergien I er økningen i hvileenergi når det bundne H-systemet dissosieres til de frie partiklene p + og e. Med tilnærmelsen ln m p m H 0, får vi Saha-ligningen for ionisasjon av hydrogen: Pp + ) PH) = kt πm ekt Pe ) h 3 e I kt ) Ionisasjon er energetisk kostbart, og eksponensielt undertrykt ved faktoren e I kt. Entropiøkningen er drivkraften i prosessen. 5