8.2: Kemisk ligevægt

Læringsresultater

• Forklar kemisk ligevægt.
• Skriv udtryk til beregning af \(K\).
• Beregn og sammenlign Q- og K-værdier.
• Forudsig de relative mængder af reaktanter og produkter ud fra ligevægtskonstanten \(K\).

Betingelser for ligevægt og typer af ligevægt

Det kan være fristende at tro, at når ligevægt er opnået, stopper reaktionen. Kemisk ligevægt er en dynamisk proces. De fremadrettede og omvendte reaktioner fortsætter med at finde sted, selv efter at ligevægten er nået. Men da reaktionshastighederne er de samme, sker der ingen ændring i de relative koncentrationer af reaktanter og produkter for en reaktion, der er i ligevægt. Betingelserne og egenskaberne for et system i ligevægt er opsummeret nedenfor.

1. Systemet skal være lukket, hvilket betyder, at ingen stoffer kan komme ind i eller ud af systemet.
2. Ejævnvægt er en dynamisk proces. Selv om vi ikke nødvendigvis kan se reaktionerne, foregår der både fremadgående og omvendt reaktion.
3. Raterne for de fremadgående og omvendte reaktioner skal være lige store.
4. Mængden af reaktanter og produkter behøver ikke at være lige store. Men efter at der er opnået ligevægt, vil mængderne af reaktanter og produkter være konstante.

Beskrivelsen af ligevægt i dette begreb henviser primært til ligevægt mellem reaktanter og produkter i en kemisk reaktion. Andre typer af ligevægt omfatter fase ligevægt og opløsningsligevægt. En fase ligevægt opstår, når et stof befinder sig i ligevægt mellem to tilstande. F.eks. opnår en kolbe med vand med prop en ligevægt, når fordampningshastigheden er lig med kondensationshastigheden. Der er opløsningsligevægt, når et fast stof befinder sig i en mættet opløsning. På dette tidspunkt er opløsningshastigheden lig med omkrystalliseringshastigheden. Selv om der er tale om forskellige typer af omdannelser, gælder de fleste af reglerne vedrørende ligevægt for enhver situation, hvor en proces sker reversibelt.

Røde blodlegemer transporterer ilt til vævene, så de kan fungere. I mangel af ilt kan cellerne ikke udføre deres biokemiske opgaver. Ilten bevæger sig til cellerne, der er knyttet til hæmoglobin, et protein, der findes i de røde blodlegemer. I tilfælde af kulilteforgiftning binder \(\ce{CO}\) sig meget stærkere til hæmoglobin, hvilket blokerer for iltbindingen og nedsætter den mængde ilt, der når frem til cellerne. Behandlingen indebærer, at patienten skal indånde ren ilt for at fortrænge kulmonoxiden. Den nedenfor viste ligevægtsreaktion illustrerer forskydningen mod højre, når der tilsættes overskydende ilt til systemet:

\

Jævnvægtskonstant

Opmærksomheden henledes på den hypotetiske reversible reaktion, hvor reaktanterne \(\ce{A}\) og \(\ce{B}\) reagerer og danner produkterne \(\ce{C}\) og \(\ce{D}\). Denne ligevægt kan vises nedenfor, hvor de små bogstaver repræsenterer de enkelte stoffers koefficienter.

Som vi har konstateret, er hastigheden af de fremadrettede og omvendte reaktioner den samme ved ligevægt, og derfor er koncentrationerne af alle stofferne konstante. Da dette er tilfældet, står det klart, at et forhold mellem koncentrationerne for en given reaktion ved ligevægt opretholder en konstant værdi. Ligevægtskonstanten \(\left( K_\text{eq} \right)\) er forholdet mellem det matematiske produkt af produkterne af en reaktion og det matematiske produkt af koncentrationerne af reaktanterne i reaktionen. Hver koncentration er hævet til potensen af dens koefficient i den afbalancerede kemiske ligning. For den generelle reaktion ovenfor skrives udtrykket for ligevægtskonstanten som følger:

\^c \left^d}{\left^a \left^b}]

Koncentrationerne af hvert stof, angivet ved de firkantede parenteser omkring formlen, måles i molaritetsenheder \(\left( \text{mol/L} \right)\).

Værdien af ligevægtskonstanten for en hvilken som helst reaktion bestemmes kun ved forsøg. Som det fremgår af ovenstående afsnit, afhænger ligevægtspositionen for en given reaktion ikke af startkoncentrationerne, og derfor er værdien af ligevægtskonstanten virkelig konstant. Den afhænger imidlertid af reaktionens temperatur. Dette skyldes, at ligevægt er defineret som en tilstand, der skyldes, at hastigheden af fremadrettede og omvendte reaktioner er lige store. Hvis temperaturen ændres, vil den tilsvarende ændring i disse reaktionshastigheder ændre ligevægtskonstanten. For enhver reaktion, hvor der er angivet en \(K_\text{eq}\), skal temperaturen angives.

Når \(K_\text{eq}\) er større end 1, er tælleren større end nævneren, så produkterne er begunstigede, hvilket betyder, at koncentrationen af produkterne er større end koncentrationen af reaktanterne.

Hvis \(K_\text{eq}\) er mindre end 1, er reaktanterne begunstiget, fordi nævneren (reaktanterne) er større end tælleren (produkterne).

Når \(K_\text{eq}\) er lig med 1, er koncentrationen af reaktanter og produkter omtrent lige stor.

Bidragydere og tilskrivninger

• CK-12 Foundation af Sharon Bewick, Richard Parsons, Therese Forsythe, Shonna Robinson og Jean Dupon.

• Allison Soult, Ph.D. (Department of Chemistry, University of Kentucky)