Leerresultaten
- Expliciteer chemisch evenwicht.
- Schrijf een uitdrukking voor het berekenen van Q(K).
- Bereken en vergelijk Q- en K-waarden.
- Relatieve hoeveelheden reactanten en producten voorspellen op basis van de evenwichtsconstante
- .
Waterstof en joodgas reageren tot waterstofjodide volgens de volgende reactie:
In eerste instantie vindt alleen de voorwaartse reactie plaats, omdat er geen \(HI} aanwezig is. Zodra zich iets gevormd heeft, begint het weer te ontbinden in \ce{H_2}} en \ce{I_2}}. Geleidelijk neemt de snelheid van de voorwaartse reactie af, terwijl de snelheid van de terugreactie toeneemt. Uiteindelijk wordt de snelheid waarmee \ce{H_2}} en \ce{I_2}} worden samengevoegd tot \ce{HI}}} gelijk aan de snelheid waarmee \ce{HI}} wordt ontleed in \ce{H_2}} en \ce{I_2}}. Als de snelheden van de voorwaartse en de terugwaartse reactie aan elkaar gelijk zijn geworden, heeft de reactie een evenwichtstoestand bereikt. Chemisch evenwicht is de toestand van een systeem waarin de snelheid van de voorwaartse reactie gelijk is aan de snelheid van de terugwaartse reactie.
In reactie B begint het proces met alleen \(\ce{HI}\) en geen \(\ce{H_2}\) of \(\ce{I_2}\). In dit geval neemt de concentratie van \(\ce{HI}} geleidelijk af terwijl de concentraties van \(\ce{H_2}}) en \(\ce{I_2}}) geleidelijk toenemen tot er weer een evenwicht is bereikt. Merk op dat in beide gevallen de relatieve evenwichtspositie gelijk is, zoals blijkt uit de relatieve concentraties van reactanten en producten. De concentratie van \(\ce{HI}\) is bij evenwicht aanzienlijk hoger dan de concentraties van \(\ce{H_2}\) en \(\ce{I_2}\). Dit geldt ongeacht of de reactie begon met alle reactanten of alle producten. De positie van het evenwicht is een eigenschap van de specifieke omkeerbare reactie en hangt niet af van de manier waarop het evenwicht is bereikt.
Voorwaarden voor evenwicht en soorten evenwicht
Het kan verleidelijk zijn om te denken dat wanneer evenwicht is bereikt, de reactie stopt. Chemisch evenwicht is een dynamisch proces. De voorwaartse en terugwaartse reacties blijven plaatsvinden, zelfs nadat het evenwicht is bereikt. Maar omdat de reactiesnelheden gelijk zijn, verandert er bij een reactie in evenwicht niets in de relatieve concentraties van reactanten en producten. De voorwaarden en eigenschappen van een systeem in evenwicht zijn hieronder samengevat.
- Het systeem moet gesloten zijn, dat wil zeggen dat er geen stoffen in of uit het systeem kunnen komen.
- Evenwicht is een dynamisch proces. Hoewel we de reacties niet per se zien, vinden er zowel voorwaartse als omgekeerde reacties plaats.
- De snelheid van de voorwaartse en omgekeerde reacties moet gelijk zijn.
- De hoeveelheid reactanten en producten hoeft niet gelijk te zijn. Echter, nadat evenwicht is bereikt, zullen de hoeveelheden reactanten en producten constant zijn.
De beschrijving van evenwicht in dit concept verwijst voornamelijk naar evenwicht tussen reactanten en producten in een chemische reactie. Andere soorten evenwicht zijn fase-evenwicht en oplossingsevenwicht. Een fase-evenwicht treedt op wanneer een stof in evenwicht is tussen twee toestanden. Bijvoorbeeld, een afgesloten kolf met water bereikt een evenwicht wanneer de verdampingssnelheid gelijk is aan de condensatiesnelheid. Een oplossingsevenwicht ontstaat wanneer een vaste stof zich in een verzadigde oplossing bevindt. Op dit punt is de oplossnelheid gelijk aan de herkristallisatiesnelheid. Hoewel dit allemaal verschillende soorten omzettingen zijn, gelden de meeste regels met betrekking tot evenwicht voor elke situatie waarin een proces omkeerbaar verloopt.
Rode bloedcellen vervoeren zuurstof naar de weefsels, zodat deze kunnen functioneren. Bij gebrek aan zuurstof kunnen de cellen hun biochemische taken niet uitvoeren. Zuurstof verplaatst zich naar de cellen die vastzitten aan hemoglobine, een eiwit dat zich in de rode cellen bevindt. Bij koolmonoxidevergiftiging bindt koolmonoxide zich veel sterker aan de hemoglobine, waardoor de aanhechting van zuurstof wordt geblokkeerd en de hoeveelheid zuurstof die de cellen bereikt, daalt. De behandeling houdt in dat de patiënt zuivere zuurstof inademt om het koolmonoxide te verdringen. De evenwichtsreactie hieronder illustreert de verschuiving naar rechts wanneer een teveel aan zuurstof aan het systeem wordt toegevoegd:
Evenwichtsconstante
Bedenk de hypothetische omkeerbare reactie waarbij de reactanten \(\ce{A}\) en \(\ce{B}\) reageren tot de producten \(\ce{C}\) en \(\ce{D}\). Dit evenwicht kan hieronder worden weergegeven, waarbij de kleine letters de coëfficiënten van elke stof zijn.
Zoals we hebben vastgesteld zijn de snelheden van de voorwaartse en de terugwaartse reactie bij evenwicht gelijk, en dus zijn de concentraties van alle stoffen constant. Aangezien dat het geval is, is het logisch dat de verhouding van de concentratie voor een gegeven reactie bij evenwicht een constante waarde houdt. De evenwichtsconstante is de verhouding tussen het rekenkundig product van de producten van een reactie en het rekenkundig product van de concentraties van de reactanten van de reactie. Elke concentratie wordt verheven tot de macht van haar coëfficiënt in de evenwichtige chemische vergelijking. Voor bovenstaande algemene reactie wordt de uitdrukking van de evenwichtsconstante als volgt geschreven:
^c ^left^d}{left^a \left^b}]
De concentraties van elke stof, aangegeven door de vierkante haken rond de formule, worden gemeten in molariteitseenheden \(\left( \text{mol/L} \right)\).
De waarde van de evenwichtsconstante voor een reactie wordt alleen proefondervindelijk bepaald. Zoals in de vorige paragraaf is beschreven, hangt de evenwichtstoestand van een bepaalde reactie niet af van de beginconcentraties en is de waarde van de evenwichtsconstante dus werkelijk constant. Zij is echter wel afhankelijk van de temperatuur van de reactie. Evenwicht is namelijk gedefinieerd als een toestand waarbij de snelheid van de voor- en tegenreactie gelijk zijn. Als de temperatuur verandert, zal de corresponderende verandering in die reactiesnelheden de evenwichtsconstante veranderen. Voor elke reactie waarbij een K(K_text{eq}) is gegeven, moet de temperatuur worden gespecificeerd.
Wanneer K(K_text{eq}) groter is dan 1, is de teller groter dan de noemer, zodat de producten worden bevoordeeld, wat betekent dat de concentratie van de producten groter is dan die van de reactanten.
Als (K_text{eq}) kleiner is dan 1, dan zijn de reactanten bevoordeeld omdat de noemer (reactanten) groter is dan de teller (producten).
Als (K_text{eq}) gelijk is aan 1, dan zijn de concentraties van reactanten en producten ongeveer gelijk.
Reactiequotiënt
Het reactiequotiënt, \(Q), wordt gebruikt als we ons afvragen of we in evenwicht zijn. De berekening voor \(Q) is precies hetzelfde als voor \(K), maar we kunnen \(K) alleen gebruiken als we weten dat we in evenwicht zijn. Door vergelijking van de waarden voor Q en K kan de richting van de reactie worden voorspeld.
- (Q) = \(K) evenwicht
- (Q) < \(K) reactie gaat naar rechts om meer producten te vormen en hoeveelheid reactanten te verminderen dus waarde van \(Q) zal toenemen
- (Q\) > \De reactie gaat naar links en vormt meer reactanten en vermindert de hoeveelheid producten zodat de waarde van Q afneemt
Bijdragers en toeschrijvingen
-
CK-12 Stichting door Sharon Bewick, Richard Parsons, Therese Forsythe, Shonna Robinson, en Jean Dupon.
-
Allison Soult, Ph.D. (Departement Chemie, Universiteit van Kentucky)