Hoofdstuk 14 Chemisch Evenwicht PDF

Hoofdstuk 14: Chemisch Evenwicht Chemie en Chemische Technologie Chemistry in Action Wat hebben de Mount Everest en Hemoglobine met elkaar te maken? 2 Het Haber proces Chemie 14.1 Het evenwichtsconcept Fysisch evenwicht H2O (l) 3 H2O (g) Chemisch evenwicht N2O4 (g) 2NO2 (g) kleurloos d...

Hoofdstuk 14: Chemisch Evenwicht Chemie en Chemische Technologie Chemistry in Action Wat hebben de Mount Everest en Hemoglobine met elkaar te maken? 2 Het Haber proces Chemie 14.1 Het evenwichtsconcept Fysisch evenwicht H2O (l) 3 H2O (g) Chemisch evenwicht N2O4 (g) 2NO2 (g) kleurloos donker bruin Chemie 14.1 Het evenwichtsconcept Chemisch Evenwicht: situatie waarbij reactiesnelheden in de twee richtingen gelijk zijn en concentraties reagentia / producten niet meer veranderen in de tijd → Is een dynamisch proces: ogenschijnlijk gebeurt er niets, in werkelijkheid blijven beide reacties opgaan. Reacties kunnen gebeuren in beide richtingen aA + bB 4 cC + dD Chemie 14.1 Het evenwichtsconcept N2O4 (g) 2NO2 (g) 3 verschillende manieren om chemisch evenwicht te bereiken 5 Chemie 14.1 Het evenwichtsconcept N2O4 (g) 2NO2 (g) K= 6 [NO2]2 [N2O4] = 4,63 x 10-3 Chemie 14.1 Het evenwichtsconcept aA + bB cC + dD K= [C]c[D]d [A]a[B]b K = Evenwichtsconstante Interpretatie van de waarde van K / Ligging van het evenwicht K >> 1 Evenwicht naar rechts (producten) K << 1 Evenwicht naar links (reagentia) Verband tussen reactiesnelheid elementaire stap en chemisch evenwicht A + B k1 k2 AB Snelheid l-r = k1[A][B] Snelheid r-l = k2[AB] k1 [AB 2] = = Kc 2 k2 [A][B] temperatuursafhankelijkheid van K 7 Chemie 14.2 Uitdrukkingen van de evenwichtsconstante Homogeen evenwicht: alle verbindingen in dezelfde fase Alle verbindingen in gasfase N2O4 (g) Kc = [NO2 2NO2 (g) ]2 [N2O4] [ ] = Molaire concentratie 8 Relatie tussen Kp en Kc Kp = 2 PNO 2 PN2O4 P = druk in atmosfeer aA (g) + bB (g) cC (g) + dD (g) Kp = Kc(RT)Dn Met R = 0,082 L atm / mol K Dn = (c + d) – (a + b) Dn = aantal mol van gasvormige producten - aantal mol van gasvormige reagentia Chemie 14.2 Uitdrukkingen van de evenwichtsconstante Homogeen evenwicht: alle verbindingen in dezelfde fase Examples 14.1-14.4 Alle verbindingen in oplossing CH3COOH (aq) + H2O (l) [CH3COO-][H3O+] Kc‘ = [CH3COOH][H2O] CH3COO- (aq) + H3O+ (aq) [H2O] = constant [CH3COO-][H3O+] = Kc‘ [H2O] Kc = [CH3COOH] Voor dit evenwicht bestaat geen Kp Evenwichtsconstante en eenheden Meestal worden geen eenheden geschreven bij de waarde van K cfr. thermodynamische definitie van K 9 Chemie 14.2 Uitdrukkingen van de evenwichtsconstante Heterogeen evenwicht: de verbindingen komen voor in verschillende fasen Examples 14.5-14.6 CaCO3 (s) Kc‘= [CaO][CO2] [CaCO3] Kc = [CO2] CaO (s) + CO2 (g) [CaCO3] = constant [CaO] = constant Kp = PCO 2 De concentraties van vaste stoffen en zuivere vloeistoffen worden niet weergegeven in de uitdrukking van de evenwichtsconstante. PCO2 is onafhankelijk van de hoeveelheid CaCO3 of CaO 10 Chemie 14.2 Uitdrukkingen van de evenwichtsconstante Meerdere evenwichten Als reactie geschreven als som van twee of meer individuele reacties, dan: → evenwichtsconstante totaalreactie = product evenwichtsreacties van de individuele reacties 11 A+B C+D K1 C+D E+F K2 A+B E+F K = K1x K2 Chemie 14.2 Uitdrukkingen van de evenwichtsconstante De vorm van K en de evenwichtsvergelijking Example 14.7 De reactie omdraaien N2O4 (g) K= [NO2]2 [N2O4] 2NO2 (g) = 4.63 x 10-3 2NO2 (g) K’ = [N2O4] [NO2]2 N2O4 (g) = 1 = 216 K De reactie vermenigvuldigen met een geheel getal N2O4 (g) K= 12 [NO2]2 [N2O4] 2NO2 (g) = 4.63 x 10-3 2 N2O4 (g) K’ = [NO2]4 [N2O4]2 4NO2 (g) = 2.14 x 10-5 K’ = K2 Chemie 14.2 Uitdrukkingen van de evenwichtsconstante Samenvatting 1. Concentraties van opgeloste stoffen in M, gassen in druk (atm). 2. Concentraties van zuivere vaste stoffen en vloeistoffen (in heterogene evenwichten) en het oplosmiddel (in homogene evenwichten) komen niet voor in de uitdrukking van K. 3. Kc en Kp kunnen in elkaar omgezet worden en Kc en Kp hebben geen eenheid. 4. Bij de waarde van K moet steeds de stoechiometrie en de temperatuur vermeld worden. 5. Als een reactie kan geschreven worden als de som van twee of meer individuele reacties dan is de evenwichtsconstante van de totaalreactie gelijk aan het product van de evenwichtsreacties van de individuele reacties 13 Chemie 14.4 De evenwichtsconstante gebruiken 14 Is er evenwicht of niet? gebruik reactie quotiënt, Q Evenwichtsconcentraties berekenen gebruik de B,R,E - methode Chemie 14.4 De evenwichtsconstante gebruiken Voorspellen van de richting van de reactie Example 14.8 Reactiequotiënt Q = zelfde uitdrukking als de evenwichtsconstante maar met de actuele concentraties Q wordt berekend door in de vergelijking van de evenwichtsconstante de op dat moment bestaande concentraties (Qc) of drukken (Qp) in te vullen. Indien Qc > Kc het systeem gaat naar links om evenwicht te bereiken Qc = Kc het systeem is in evenwicht Qc < Kc het systeem gaat naar rechts om evenwicht te bereiken Voorbeeld 14.8: 0,249 mol N2 / 0,0321 mol H2 / 6,42x10-4 mol NH3 worden samengevoegd in een reactievat van 3,50 l. Kc=1,2. Is deze reactie in evenwicht? Indien niet, in welke richting zal de reactie doorgaan om evenwicht te bereiken? N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) 15 Chemie 14.4 De evenwichtsconstante gebruiken Berekenen van evenwichtsconcentraties De B,R,E methode. Beschrijf de beginsituatie (B), geef aan welke reactie (R) er moet gebeuren om tot evenwicht te komen en beschrijf vervolgens het evenwicht (E). Los de bijhorende wiskundige vergelijkingen op. Voorbeeld 1: Beginconc cis-stilbeen = 0,850 M en Kc =24 (200°C) Bereken evenwichtsconcentraties B(egin) Cis-stilbeen Trans-stilbeen 0,850 0 -x +x 0,850 -x x R(eactie) E(venwicht) K= x = 24 x = 0,816 0,850 - x [ cis-stilbeen] = 0,034 M en [trans-stilbeen] = 0,816 M 16 Chemie 14.4 De evenwichtsconstante gebruiken Berekenen van evenwichtsconcentraties Voorbeeld 2: De evenwichtsconstante (Kc) voor onderstaande reactie bij 1280°C is Kc = 1,1 x 10-3 Br2 (g) 2Br (g) Als de beginconcentraties voor [Br2] = 0,063 M en voor [Br] = 0,012 M zijn, bereken dan de evenwichtsconcentraties bij evenwicht. 17 Chemie 14.4 De evenwichtsconstante gebruiken Berekenen van evenwichtsconcentraties Example 14.9-14.10 Voorbeeld 3: Bereken Kc 2SO2(g) + O2(g) 18 2SO3(g) Chemie 14.5 Factoren die de ligging van het evenwicht beïnvloeden Principe van Le Châtelier Uitwendige stress op een systeem in evenwicht → evenwicht verplaatst zich zodat stress gedeeltelijk gecompenseerd is wanneer het syteem een nieuwe evenwichtssituatie bereikt Stress: 1. 2. 3. 19 Concentratieverandering Druk en volumeverandering Temperatuursverandering Chemie 14.5 Factoren die de ligging van het evenwicht beïnvloeden Concentratieverandering N2 (g) + 3H2 (g) evenwicht naar links 2NH3 (g) NH3 toevoegen Le Châtelier K = constante 20 Chemie 14.5 Factoren die de ligging van het evenwicht beïnvloeden Concentratieverandering Example 14.11 Voorbeeld 4: Werk uit m.b.v. de B,R,E – methode (a) beginsituatie (b) toevoegen van SO3 (c) evenwichtssituatie 21 2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) Chemie 14.5 Factoren die de ligging van het evenwicht beïnvloeden Concentratieverandering Example 14.11 Voorbeeld 14.11 22 Chemie 14.5 Factoren die de ligging van het evenwicht beïnvloeden Druk- en volumeverandering A (g) + B (g) C (g) Le Châtelier Drukstijging (volumevermindering) verschuiving evenwicht naar kant kleinste aantal gasvormige deeltjes (hier rechts) Le Châtelier Drukvermindering (volumetoename) grootste aantal gasvormige deeltjes (hier links) verschuiving evenwicht naar kant K = constante 23 Chemie 14.5 Factoren die de ligging van het evenwicht beïnvloeden Druk- en volumeverandering Example 14.12 Voorbeeld 5: Werk uit m.b.v. de B,R,E – methode (a) beginsituatie (b) evenwichtssituatie na volumeverlaging 24 2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) Chemie 14.5 Factoren die de ligging van het evenwicht beïnvloeden Druk- en volumeverandering Example 14.12 Voorbeeld 14.12 25 Chemie 14.5 Factoren die de ligging van het evenwicht beïnvloeden Temperatuursverandering Bij een andere temperatuur krijgt K een andere waarde! De richting van de verschuiving hangt af van het feit of de reactie exotherm of endotherm is. Reagentia + Warmte Reagentia Producten Endotherm Producten + Warmte Exotherm K ≠ constante 26 Chemie 14.5 Factoren die de ligging van het evenwicht beïnvloeden Temperatuursverandering Reagentia + Warmte Producten = Endotherm ΔH > 0 Le Châtelier Verschuiving naar rechts : K wordt groter Warmte toevoegen Reagentia Producten + Warmte = Exotherm ΔH < 0 T : bevoordeelt opbrengst endotherme reactie, T : bevoordeelt opbrengst exotherme reactie Le Châtelier Verschuiving naar links K wordt kleiner 27 Warmte toevoegen Chemie 14.5 Factoren die de ligging van het evenwicht beïnvloeden Temperatuursverandering T : bevoordeelt opbrengst endotherme reactie, T : bevoordeelt opbrengst exotherme reactie roze 28 kleurloos blauw Chemie 14.5 Factoren die de ligging van het evenwicht beïnvloeden Toevoegen van een katalysator Verandert de ligging van het evenwicht niet, enkel de snelheid waarmee het bereikt wordt. Katalysator verlaagt Ea zowel voor reactie van links naar rechts als voor reactie van rechts naar links. K = constante 29 Chemie 14.5 Factoren die de ligging van het evenwicht beïnvloeden Samenvatting wijziging Verschuiving van het evenwicht Verandering waarde van evenwichtsconstante Concentratie Ja Neen Druk Ja* Neen Volume Ja* Neen Temperatuur Ja Ja Katalysator Neen Neen Inert gas Neen Neen * Afhankelijk van het relatief aantal gasvormige reagens en productmoleculen 30 Chemie Het leven op hoge altitudes en hemoglobine Hoofdpijn, vermoeidheid… door hoogteverschil → Gelinkt aan hypoxia, tekort aan zuurstof in lichaamsweefsel HbO2 is oxyhemoglobin en transporteert zuurstof rond in weefsels Daling partieeldruk zuurstof / verlaagde zuurstof concentratie → Le Chatelier (rechts naar links) Voldoende tijd → meer hemoglobine moleculen aangemaakt 31 Chemie 14.5 Factoren die de ligging van het evenwicht beïnvloeden Toepassing: Haber proces N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) + warmte ΔH = -92,6 kJ/mol > 100 miljoen ton NH3 per jaar 32 Chemie 14.5 Factoren die de ligging van het evenwicht beïnvloeden Toepassing: Haber proces Variatie van Kp voor dit evenwicht N2(g) + 3 H2(g) 33 2NH3(g) ΔH = -92.6 kJ/mol Chemie 14.5 Factoren die de ligging van het evenwicht beïnvloeden Toepassing: Haber proces Variatie van de opbrengst bij veranderende temperatuur en druk N2(g) + 3 H2(g) 34 2 NH3(g) ΔH = -92.6 kJ/mol Chemie