13.2 – Kemisk ligevægt

I tidligere kapitler, har vi kigget på den fortløbende reaktion i en ligning, og har antaget at alle reaktanterne, blev omdannet til produkter. Det meste af tiden, bliver alle reaktanterne imidlertid ikke omdannet til produkter, fordi en tilbageløbende reaktion også finder sted, hvor produkter kolliderer og danner reaktanter. Når en reaktion foregår i både en fremadrettet og bagudrettet retning, siges den at være reversibel. Vi har allerede set på andre reversible processer. For eksempen når vi smelter faste stoffer for at skabe flydende stoffer, og fryser dem for at gøre dem faste. Selv i vores dagligdag, har vi reversible processer. Vi går fra hjem til arbejde og fra arbejde og hjem. Vi tager en elevator op, og tager den ned igen. Vi sætter penge i banken, og trækker dem ud igen.

En analogi for en fortløbende og tilbageløbende reaktion, kan vi se i sætningen ”Vi tager en tur i supermarkedet”. Selvom vi kun nævner turen i den ene retning ved vi, at vi også vil komme hjem fra supermarkedet igen. Fordi turen har både en fremadrettet og en bagudrettet retning, kan v sige at turen er reversibel. Det er trodsalt meget usandsynligt, at vi ville blive i supermarkedet for evigt.

Reversible kemiske reaktioner

En reversibel reaktion, foregår i både fortløbende og tilbageløbende retninger. Det betyder at der er to reaktionshastigheder: den ene reaktionshastighed er for den fortløbende reaktion, og en for den tilbageløbende reaktion. Når molekylerne begynder at reagere, er den fortløbende reaktionshastighed hurtigere end reaktionshastigheden for den tilbageløbende reaktion. Som reaktanterne forbruges og produkterne ophobes, falder den fortløbende reaktionshastighed, og den tilbageløbende reaktionshastighed stiger.

Opgaveeksempel 13.2

Reversible reaktioner Skriv den fortløbende og den tilbageløbende reaktion for hver af følgende: a. ${\mathrm{N}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}+3{\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}\rightleftarrows 2{\mathrm{NH}}_{3\left(\mathrm{g}\right)}$b. $2{\mathrm{CO}}_{\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{O}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}\rightleftarrows 2 {\mathrm{CO}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}$ Svar a. Fortløbende: ${\mathrm{N}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}+3{\mathrm{H}}_{3\left(\mathrm{g}\right)}\to 2{\mathrm{NH}}_{3\left(\mathrm{g}\right)}$Tilbageløbende: $2{\mathrm{NH}}_{3\left(\mathrm{g}\right)}\to {\mathrm{N}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}+3{\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}$b. Fortløbende: $2{\mathrm{CO}}_{\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{O}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}\to 2{\mathrm{CO}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}$Tilbageløbende: $2{\mathrm{CO}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}\to 2{\mathrm{CO}}_{\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{O}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}$

Ligevægt

Til sidst, er reaktionshastighederne af den fortløbende og tilbageløbende reaktion lige store; reaktanterne danner produkter med samme hastighed, som produkterne danner reaktanter. En reaktion når kemisk ligevægt, der ikke længere sker nogen ændring i koncentrationerne af reaktanterne eller produkterne, selvom reaktionen fortsætter med samme, men modsat hastighed.

Ved ligevægt: Hastigheden af den fortløbende reaktion, er den samme som hastigheden af den tilbageløbende reaktion.

Der sker ikke yderligere ændringer i koncentrationerne af reaktanter eller produkter, selvom de to reaktioner fortsætter med ens hastighed, dog i hver sin retning.

Lad os se nærmere på processen, som reaktionen mellem H₂ og I₂ fortsætter indtil ligevægt. Indledningsvis, er kun reaktanterne H₂ og I₂ til stede. Efter kort tid, bliver der dannet nogle få m74olekyler HI af den fremadrettede reaktion. Som tiden går, dannes der flere HI molekyler. Som koncentrationen af HI stiger, kolliderer flere HI molekyler, og reagerer i den modsatte retning (se figur 13.5).

Fortløbende reaktion:

${\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{I}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}\to 2{\mathrm{HI}}_{\left(\mathrm{g}\right)}$

Tilbageløbende reaktion:

$2{\mathrm{HI}}_{\left(\mathrm{g}\right)}\to {\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{I}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}$

Som produktet HI opbygges, stiger hastigheden på den tilbageløbende reaktion, mens hastigheden af den fortløbende reaktion falder. I sidste ende, bliver hastighederne ens, hvilket betyder, at reaktionen har nået dens ligevægt. Selvom koncentrationerne forbliver den samme ved ligevægt, sker den fortløbende og den tilbageløbende reaktion stadig. Den fortløbende og tilbageløbende reaktion, er ofte vist sammen i en enkelt ligning, ved at bruge en dobbeltpil. En reversibel reaktion, er to modsatrettede reaktioner, der forekommer på samme tid. Der er to dobbeltpilsymboler der ofte anvendes. Begge er vist i eksemplet herunder:

	fortløbende reaktion
${\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{I}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}$	$\rightleftarrows$	$2{\mathrm{HI}}_{\left(\mathrm{g}\right)}$
	tilbageløbende reaktion

${\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{I}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}\rightleftharpoons 2{\mathrm{HI}}_{\left(\mathrm{g}\right)}$

Konceptforståelse 13.2

Reaktionshastigheder og ligevægt Færdiggør hver af følgende sætninger med lig med, ikke lig med, hurtigere, langsommere, og ingen ændring. a. Inden ligevægten nås, er koncentrationerne af reaktanterne og produkterne ___________ hinanden. b. Indledningsvis, har reaktanter der placeres i en reaktionskolbe, en __________ reaktionshastighed end produkternes reaktionshastighed. c. Ved ligevægt, er reaktionshastigheden af den fortløbende reaktion ___________ reaktionshastigheden for den tilbageløbende reaktion. d. Ved ligevægt, er der __________ i koncentrationerne af reaktanterne og produkterne. Svar a. Inden ligevægten nås, er koncentrationerne af reaktanterne og produkterne lig med hinanden. b. Indledningsvis, har reaktanter der placeres i en reaktionskolbe, en hurtigere reaktionshastighed end produkternes reaktionshastighed. c. Ved ligevægt, er reaktionshastigheden af den fortløbende reaktion lig med reaktionshastigheden for den tilbageløbende reaktion. d. Ved ligevægt, er der ingen ændring i koncentrationerne af reaktanterne og produkterne.

Vi kan også sætte en reaktion op, der kun starter med reaktanter, eller kun har produkter. Lad os se på den indledende reaktion i hver, den fortløbende, tilbageløbende og ligevægtsblandingen der opstår (se figur 13.6):

13.3 – Ligevægtskonstanter →