Issuu on Google+

DEEL IX:

Chemisch Evenwicht

Tot nu toe beschouwden we alle reacties als aflopend. Dit wil zeggen dat de reactie doorgaat tot één of alle reagentia volledig omgezet zijn in reactieproduct(en). De reactie stopt van zodra één van de reagentia is opgebruikt. Dergelijke reacties stellen we in de reactievergelijking voor door een enkele pijl: “→” Vb.:

Mg + 2 HCl → MgCl2 + H2

Voor veel reacties geldt dit eenvoudige verloop niet. De reagentia kunnen ook onvolledig omgezet worden. Wanneer de reactie “stopt” (uitwendig waarneembaar), is er in dit geval geen enkel reagens volledig weggereageerd, maar is er een toestand ontstaan waarin zowel reagentia als reactieproduct(en) aanwezig zijn; de evenwichtstoestand. Men spreekt hier van een evenwichtsreactie die in een reactievergelijking weergegeven wordt door een dubbele pijl: “” Vb.:

H2 + I2  2 HI

Als bij een reactie de uitwendig waarneembare veranderingen ophouden, is dit niet noodzakelijk een bewijs voor het stilvallen van de reactie. De toestand kan ongewijzigd blijven als er per tijdseenheid (Δt) evenveel bindingen gebroken worden als er gelijkaardige bindingen ontstaan. Dit noemen we een dynamisch evenwicht.

1 Evenwichtsreactie 1.1 Experimenteel bewijs v/h dynamisch karakter Ag+opl + Fe2+opl  Agvast + Fe3+opl In het reactiemengsel vervangt men Ag+ door radioactief zilver (in ionische vorm). Het radioactief zilver kan makkelijk aangetoond worden in een oplossing. Zo kan men dus in de praktijk aantonen dat wanneer er geen uitwendig waarneembare veranderingen meer zijn, dat er toch nog radioactief zilver aanwezig is, ook als we extra ijzer(II)oplossing toevoegen.

1.2 Verklaring aan de hand van het botsingsmodel Effectieve botsingen tussen Ag+ en Fe(II) leiden tot de vorming van vast Ag en Fe(III). Maar zodra deze laatste gevormd zijn, is er ook kans dat zij effectief gaan botsen, zodat er weer Ag+ en Fe(II) gevormd wordt.

1

Geef deze evenwichtsreactie (dynamisch evenwicht) grafisch weer:

Deze evenwichtsreactie bestaat dus uit twee delen: 1. Heenreactie: Ag+opl + Fe2+opl → Agvast + Fe3+opl 2. Terugreactie: Agvast + Fe3+opl → Ag+opl + Fe2+opl Wanneer de snelheid van de eerste reactie (v1) gelijk is aan de snelheid van de terugreactie (v2), hebben we een dynamisch evenwicht (v1 = v2).

2 Wet van het chemisch evenwicht We beschouwen de reactie: aA + bB  cc + dD v1 = k1 . [A]a . [B]b v2 = k2 . [C]c . [D]d evenwicht is er als: [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]

v1 = v 2 [ ] [ ] = evenwichtsconstante

Dit is de wet van het chemisch evenwicht! We noemen deze verhouding ook wel de concentratiebreuk.

2

2.1 Betekenis van de evenwichtsconstante? -

Is K intermediair => dan zal de hoeveelheid reactieproduct ook groot zijn! Is K zeer groot => dan spreken we van een aflopende reactie (→). Is K zeer klein => dan noemen we de reactie niet opgaand.

K is zeer klein

Vb. : 2 H2O

K is intermediair

2 H2 +O2

K=

= 1,0.10-15 (1100°C) Er is nagenoeg geen water omgezet, men zegt dat het evenwicht sterk naar links

Vb. : H2 + I2

K is zeer groot

2 HI

K=

= 55 (425°C) Een intermediaire K-waarde wijst op een typisch evenwicht.

Vb. : H2 + Cl2

2 HCl

K=

= 2,5.1033 (25°C)

is verschoven.

Nagenoeg alle uitgangsproducten zijn omgezet in HCl, men zegt dat het evenwicht sterk naar rechts is verschoven.

Norm : K < 10-3

Norm : K > 103

K ∞ klein : reactie gaat niet door

K ∞ groot : aflopende reactie

Norm : 10-3< K < 103

In industriële processen gaan we meestal streven naar een zo groot mogelijk rendement. Dat wil zeggen dat er meestal zo veel mogelijk reactieproduct gevormd moet worden. Dus gaan we streven naar een maximale K. Om een zo groot mogelijke opbrengst te realiseren, zullen we moeten trachten de reactie zo veel mogelijk in de richting van de reactieproducten te verschuiven.

3

3 Verschuiving van het chemisch evenwicht 3.1 Wet van Le Châtelier en Van’t Hoff Deze wet geeft aan in welke richting het evenwicht verschuift als er uitwendig een verandering op aangebracht wordt. Wanneer één der factoren, die de ligging van een chemisch evenwicht bepalen, gewijzigd wordt, ondergaat het evenwicht een verschuiving, zodat de aangebrachte verandering wordt tegengewerkt.

3.2 Invloed v/d concentratie Beschouwen we de reactie: A + B  AB Als we de concentratie van A verhogen? Verklaring volgens Le Châtelier en Van’t Hoff: De aangebrachte verandering is dat de [A] verhoogt is tov het chemisch evenwicht. Volgens de wet zal deze verandering tegengewerkt worden. De reactie probeert dus terug naar een [A] te gaan als voordien. Er zal dus A gaan wegreageren met B ter vorming van AB. Het evenwicht licht hier naar rechts (of in de richting van het reactieproduct). Geef dit grafisch weer:

4

3.3 Invloed v/h volume (druk) Een volumeverandering heeft steeds tot gevolg dat alle concentraties van de betrokken stoffen zullen veranderen. Verdunnen of volumevermeerdering doet het evenwicht verschuiven naar die kant met meest aantal deeltjes (of waar de som van de coëfficiënten het hoogst is). Concentreren of volumevermindering doet het evenwicht verschuiven naar de kant met het kleinst aantal deeltjes. Volumeverandering heeft echter geen invloed op het evenwicht als het aantal deeltjes in het linkerlid en rechterlid van de reactievergelijking aan elkaar gelijk zijn.

3.4 Invloed v/d temperatuur Om de invloed van de temperatuur te bepalen, is het van belang te weten of de reactie endotherm is of exotherm. Een endotherme reactie heeft energie nodig en zal dus bevorderd worden door een temperatuursstijging. Bij een exotherme reactie daarentegen komt energie vrij, waardoor een temperatuurstijging de reactie veer minder bevorderd.

A + B

C + D + x kJ

Bij een in evenwicht zijnd stelsel, bevordert een temperatuursstijging de endotherme kant en een temperatuursdaling de exotherme kant. De aangebrachte verandering wordt tegengewerkt: als bij temperatuurstijging de endotherme reactie bevorderd wordt, zal er warmte opgeslorpt worden zodat de temperatuur weer kan dalen.

3.5 Invloed v/d katalysator Een katalysator beïnvloed beide reactieconstanten in dezelfde mate zodat de waarde van de evenwichtsconstante niet verandert en er geen verschuiving van het evenwicht optreedt. Een katalysator beïnvloed wel de tijd waarin het evenwicht ingesteld wordt. Praktisch: geen hogere opbrengst, wel sneller reactie.

5

Oefeningen 1) Stel de reactie voor de bereiding van ethylacetaat. Wat gaat er gebeuren indien we aan de reactor een hygroscopische stof toevoegen? azijnzuur + ethanol ethylacetaat + water

2) Stel de synthese van ammoniak. Zal men de druk moeten verhogen of verlagen (m.a.w. zal men het volume moeten verlagen of verhogen) om de opbrengst aan ammoniak te verhogen? N2 + 3H2 2NH3

3) Geef voor elk van volgende reacties de uitdrukking voor K : a) NO2 (g) + SO2 (g) NO (g) + SO3 (g) b) 2 SO2 (g) + O2 (g) 2 SO3 (g) c) Ca(HCO3)2 (v) CaO (v) + 2 CO2 (g) + H2O (g) 4) Gegeven de omkeerbare reacties : N2 + O2 + 181 kJ 2 NO Onder welke omstandigheden verschuift het evenwicht naar rechts?

Gegeven de omkeerbare reacties : 2 NO + O2 2 NO2 + 114 kJ Onder welke omstandigheden verschuift het evenwicht naar rechts?

6

5) Gegeven de omkeerbare reactie : C + H2O (damp) CO + H2 Bij 1500°C wordt meer CO gevormd dan bij 1000°C. a) Is deze reactie exo- of endotherm?

b) Op welke manier kunnen we het evenwicht naar rechts verschuiven?

6) Gegeven : 2 SO2 + O2 2 SO3 + 196 kJ Hoe verschuift het evenwicht : a) Als we het reactiemengsel afkoelen

b) Als we de concentratie van zuurstofgas doen toenemen

c) Als we de druk doen stijgen

d) Als we platina toevoegen en als je weet dat Pt de activeringsenergie van de reactie verlaagt.

7) H2 (g) + I2 (g) 2 HI (g) (K = 54,8 bij 425°C) Bij 425°C werd een hoeveelheid HI in het reactievat gebracht. Bereken de evenwichtsconcentraties van H2 en I2 als je weet dat de evenwichtsconstante van HI 0,01 mol/l bedraagt. Wat was de initiële concentratie van HI?

7

8) Berekenen de evenwichtsconstante van de reactie A + B 2C als je weet dat na het mengen van 1,0 mol A, 1,4 mol B en 0,50 mol C in een vat van 2,5 liter de concentratie van C bij evenwicht 0,30 mol/l blijkt te zijn.

9) 1,00 mol PCl3 (g) en 2,00 mol Cl2 (g) worden in een vat van 3,00 liter inhoud gemengd. Na het instellen van het evenwicht blijkt nog 0,700 mol PCl3 over te blijven. Bereken met deze gegevens de evenwichtsconstante van de reactievergelijking. PCl3 (g) + Cl2 (g) PCl5 (g)

8

10) Bij 90째C stelt zich volgend evenwicht in : H2 (g) + S (v) H2S (g) K = 6,8.10-2 Bereken de evenwichtsconcentratie van H2S als bij 90째C 0,20 mol H2 en 1,0 mol S in een vat van 1,0 liter tot reactie gebracht worden.

11) Als 46,0 gram I2 en 1,00 gram H2 opgewarmd worden tot 470 째C ontstaat een evenwicht waarbij nog 1,9 gram I2 overblijft. H2 (g) + I2 (g) 2 HI (g) a) Hoeveel mol van elk gas is er bij evenwicht aanwezig? b) Bereken de evenwichtsconstante.

9


Deel 9 Chemisch evenwicht