13.5 – Ændring af ligevægtsbetingelserne: Le Châteliers Princip

Vi har set, at når en reaktion når sin ligevægt, er hastigheden af den fortløbende og tilbageløbende reaktion den samme, og koncentrationerne forbliver konstante. Nu vil vi se på hvad der sker med et system i ligevægt, hvis der forekommer en ændring i reaktionsbetingelserne, som for eksempel ændringer i koncentration, volumen og temperatur.

Le Châteliers Princip

Når vi ændrer enhver af betingelserne i et system i ligevægt, vil hastighederne på de fortløbende og tilbageløbende reaktioner ikke længere være de samme. Vi siger at der lægges en belastning på ligevægten. Systemet vil svare igen på denne belastning, ved at ændre hastigheden på den fortløbende og tilbageløbende reaktion i en retning, der udligner belastningen, for at genetablere ligevægten. Vi kan bruge Le Châteliers Princip der siger, at hvis et system i ligevægt forstyrres, vil systemet ændres i den retning som formindsker forstyrrelsen.

Le Châteliers Princip Når en belastning (ændring i betingelser) pålægges et system i ligevægt, vil ligevægten forskydes i den retning, som udligner belastningen.

Forestil dig, at vi har to vandtanke der er forbundet med et rør. Når vandniveauet i begge tanke er det samme, strømmer vandet i fortløbende retning fra Tank A til Tank B med samme hastighed, som vandet strømmer fra Tank B til Tank A. Vi tilfører nu mere vand til Tank A. Med et højere vandniveau i Tank A, strømmer der mere vand i fortløbende retning fra Tank A til Tank B, end der gør i den modsatte retning fra Tank B til Tank A, hvilket er illustreret med en længere pil. Til sidst nås en ny ligevægt, når vandniveauet i begge tanke igen er det samme, men vandniveauet er højere end før. Når denne nye ligevægt er opnået, strømmer vandet igen mellem tankene med lige stor hastighed.

Effekten af en koncentrationsændring på ligevægten

Vi vil nu bruge reaktionen mellem H₂ og I₂ til at illustrere hvordan en ændring i koncentrationen forstyrrer ligevægten, og hvordan systemet reagerer på denne ændring.

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

Antag nu, at der tilføres mere af reaktanten H₂ til blandingen i ligevægt, hvilket øger koncentrationen af H₂. Fordi K_c ikke kan ændres for en reaktion ved en given temperatur, vil tilførslen af mere H₂ forstyrre ligevægten (se figur 13.11). Systemet vil derfor udligne forstyrrelsen, ved at øge hastigheden på den fortløbende reaktion. Dermed dannes der flere produkter, indtil ligevægten er genetableret. Ifølge Le Châteliers princip, vil tilførslen af flere reaktanter, forskyde systemets ligevægt i retning mod produkterne, indtil ligevægten er genetableret.

${\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{I}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}\stackrel{\stackrel{\mathbf{Tilførsel}\mathbf{ }\mathbf{af}\mathbf{ }{\mathbf{H}}_{\mathbf{2}}}{\to }}{\rightleftarrows }2{\mathrm{HI}}_{\left(\mathrm{g}\right)}$

Antag, at vi fjerner noget H₂ fra reaktionsblandingen ved ligevægt, hvilket sænker koncentrationen af H₂ og bremser hastigheden af den fortløbende reaktion. Ved at anvende Le Châteliers princip ved vi, at når nogle af reaktanterne fjernes, vil systemet forskydes i retning af reaktanterne, indtil en ny ligevægt opnås.

${\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{I}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}\stackrel{\stackrel{\mathbf{Fjernelse}\mathbf{ }\mathbf{af}\mathbf{ }{\mathbf{H}}_{\mathbf{2}}}{\leftarrow }}{\rightleftarrows }2{\mathrm{HI}}_{\left(\mathrm{g}\right)}$

Koncentrationerne af produkterne i ligevægtsblandingen kan også stige eller falde. For eksempel, hvil der tilføjes mere HI, sker der en stigning i reaktionshastigheden for den tilbageløbende reaktion, hvilket konverterer noget af produkterne til reaktanter. Koncentrationen af produkterne falder, og koncentrationen af reaktanter stiger, indtil en ny ligevægt er opnået. Ved at anvende Le Châteliers princip ser vi, at tilførslen af et produkt, vil forskyde systemet i retning af reaktanterne.

${\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{I}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}\stackrel{\stackrel{\mathbf{Tilførsel}\mathbf{ }\mathbf{af}\mathbf{ }\mathbf{HI}}{\leftarrow }}{\rightleftarrows }2{\mathrm{HI}}_{\left(\mathrm{g}\right)}$

I et andet eksempel, fjernes der noget HI fra ligevægtsblandingen, hvilet sænker koncentrationen af produkterne. Så vil der være en forskydning i retning af produkterne, for at opnå en ny ligevægt.

${\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{I}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}\stackrel{\stackrel{\mathbf{Fjernelse}\mathbf{ }\mathbf{af}\mathbf{ }\mathbf{HI}}{\to }}{\rightleftarrows }2{\mathrm{HI}}_{\left(\mathrm{g}\right)}$

Til opsummering, indikerer Châteliers princip, at forstyrrelse der pålægges et system i ligevægt ved tilføjelse af et stof, udlignes ved at ligevægtssystemet forskyder reaktionen væk fra det stof. Ved at tilføje mere af reaktanterne, øges hastigheden på den fortløbende reaktion mod produkterne. Ved at tilføje mere af produkterne, øges hastigheden på den tilbageløbende reaktion mod reaktanterne. Når noget af stoffet fjernes fra ligevægten, forskydes ligevægten i retningen mod det stof der blev fjernet. En oversigt over effekterne ved koncentrationsændringer jævnfør Châteliers princip, kan ses i tabel 13.4.

Effekten af en katalysator på ligevægten

Nogle gange tilføres der en katalysator til reaktionsblandingen, for at øge hastigheden af reaktionen, ved at sænke aktiveringsenergien. Som et resultat af katalysatoren, øges både den fortløbende reaktion og den tilbageløbende reaktion. Tiden det tager at nå ligevægten er kortere, men forholdet mellem produkter og reaktanter bibeholdes. Derfor øger en katalysator hastigheden af den fortløbende og tilbageløbende reaktion, men den har ikke nogen effekt på ligevægten i reaktionsblandingen.

Konceptforståelse 13.6

Effekterne af ændringer i koncentrationen i ligevægte Beskriv effekten i hver af følgende ændringer i ligevægtsblandingen for følgende reaktion: ${\mathrm{CO}}_{\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{\left(\mathrm{g}\right)}\rightleftarrows {\mathrm{CO}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}$ a. Stigning i [CO]                          b. Stigning i [H2] c. Fald i [H2O]                              d. Fald I [CO2] e. Tilføjelse af en katalysator Svar Ifølge Le Châteliers princip, vil et system i ligevægt der påføres en forstyrrelse, forskyde ligevægten for at modvirke forstyrrelsen. a. Når koncentrationen af reaktanten CO stiger, vil hastigheden på den fortløbende reaktion øges, for at forskyde ligevægten i retningen mod produkterne, indtil en ny ligevægt er opnået. b. Når koncentrationen af produktet H2 stiger, vil hastigheden på den tilbageløbende reaktion øges, for at forskyde ligevægten i retningen mod reaktanterne, indtil en ny ligevægt er opnået. c. Når koncentrationen af reaktanten H2O falder, vil hastigheden på den fortløbende reaktion falde, for at forskyde ligevægten i retningen af reaktanterne, indtil en ny ligevægt er opnået. d. Når koncentrationen af produktet CO2 falder, vil hastigheden på den tilbageløbende reaktion falde, for at forskyde ligevægten i retningen mod produkterne, indtil en ny ligevægt er opnået. e. Når der tilføjes en katalysator, øges hastighederne på de fortløbende og tilbageløbende reaktioner lige meget, uden at det påvirker ligevægten i blandingen.

Effekten af en volumenændring på ligevægten

Hvis der sker en ændring i volumenet af en gasblanding i ligevægt, vil der også ske en ændring i koncentrationen af gasserne i blandingen. Ved et fald af volumenet, øges koncentrationen af gasser, hvorimod en stigning af volumenet, betyder et fald i koncentrationen af gasser. Når dette sker, vil systemet reagere, for at genetablere ligevægten.

Lad os se på effekten af at øge eller sænke volumenet af en blanding i ligevægt, for følgende reaktion:

$2{\mathrm{CO}}_{\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{O}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}\rightleftarrows 2{\mathrm{CO}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}$

Hvis vi gør volumenet mindre, stiger alle koncentrationerne. Ifølge Le Châteliers princip, vil stigningen i koncentration blive udlignet, når systemet forskydes i retningen med det mindste antal mol.

$2{\mathrm{CO}}_{\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{O}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}\stackrel{\stackrel{\mathbf{V}\mathbf{ }\mathbf{øges}}{\leftarrow }}{\rightleftarrows }2{\mathrm{CO}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}$

 3 mol gas          2 mol gas

På den anden side, hvis volumenet af ligevægtsblandingen stiger, falder koncentrationen af alle gasserne. Så vil systemet forskydes i retningen med flest mol, for at genetablere ligevægten.

$2{\mathrm{CO}}_{\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{O}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}\stackrel{\stackrel{\mathbf{V}\mathbf{ }\mathbf{s\ae nkes}}{\to }}{\rightleftarrows }2{\mathrm{CO}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}$

 3 mol gas            2 mol gas

Når reaktionen har det samme antal mol reaktanter som mol produkter, påvirker en ændring i volumenet ikke ligevægten i blandingen fordi, koncentrationerne af reaktanterne og produkterne, ændres på samme måde. Forholdet forbliver det samme.

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

2 mol gas   2 mol gas

Opgaveeksempel 13.7

Effekten af ændringer i volumenet på ligevægten Angiv effekten af sænkning af volumenet af beholderen for hver af de følgende ligevægte: a. ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}+2{\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}\rightleftarrows {\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_{6\left(\mathrm{g}\right)}$b. $2{\mathrm{NO}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}\rightleftarrows 2{\mathrm{NO}}_{\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{O}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}$c. ${\mathrm{CO}}_{\left(\mathrm{g}\right)}+2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{\left(\mathrm{g}\right)}\rightleftarrows {\mathrm{CO}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}$ Løsning For at udligne forstyrrelsen ved at sænke volumenet, skifter ligevægten i den retning der har færrest mol gas. a. Ligevægten forskydes i retning af produktet, der har færrest mol gas: ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}+2{\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}\to {\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_{6\left(\mathrm{g}\right)}$ 3 mol gas → 1 mol gas b. Ligevægten forskydes i retning af reaktanterne, der har færrest mol gas: $2{\mathrm{NO}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}\leftarrow 2{\mathrm{NO}}_{\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{O}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}$ 2 mol gas → 3 mol gas c. Der sker ikke nogen forskydning af ligevægten, fordi antal mol reaktanter er det samme som antal mol produkter: ${\mathrm{CO}}_{\left(\mathrm{g}\right)}+2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{\left(\mathrm{g}\right)}\rightleftarrows {\mathrm{CO}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}$ 2 mol gas → 2 mol gas

Effekten af en temperaturændring på en ligevægt

Vi kan tænke på varme som en reaktant eller et produkt i en reaktion. For eksempel, i reaktionsligningen for en endotermisk reaktion, skrives varme på reaktanternes side. Når temperaturen for en endotermisk reaktion stiger, svarer systemet igen, ved at forskyde ligevægten mod produkterne, for at fjerne varme:

${\mathrm{N}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{O}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}\stackrel{\stackrel{\mathbf{T}\mathbf{ }\mathbf{stiger}}{\leftarrow }}{\rightleftarrows }2{\mathrm{NO}}_{\left(\mathrm{g}\right)}$

Hvis temperaturen sænkes for en endotermisk reaktion, er der et fald i varme. Så forskydes systemet i retningen af reaktanterne, for at tilføre varme:

${\mathrm{N}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{O}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}\stackrel{\stackrel{\mathbf{T}\mathbf{ }\mathbf{falder}}{\leftarrow }}{\rightleftarrows }2{\mathrm{NO}}_{\left(\mathrm{g}\right)}$

Hvis temperaturen sænkes for en endotermisk reaktion, er der et fald i varme. Så vil systemet forskydes i retning af produkterne, for at tilføre varme:

$2{\mathrm{SO}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{O}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}\stackrel{\stackrel{\mathbf{T}\mathbf{ }\mathbf{stiger}}{\to }}{\rightleftarrows }2{\mathrm{SO}}_{3\left(\mathrm{g}\right)}+\mathrm{varme}$

Opgaveeksempel 13.8

Effekten af temperaturændringer på ligevægten Angiv ændringen der forekommer for hver af følgende ligevægte, når temperaturen øges: a. ${\mathrm{N}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}+3{\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}\rightleftarrows 2{\mathrm{NH}}_{3\left(\mathrm{g}\right)}+92 \mathrm{kJ}$b. ${\mathrm{HF}}_{\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{Cl}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}+357 \mathrm{kJ}\rightleftarrows 2{\mathrm{HCl}}_{\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{F}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}$ Løsning a. Når temperaturen øges for en exotermisk reaktion, forskydes ligevægten i retning mod reaktanterne, for at fjerne varme. b. Når temperaturen øges for en endotermisk reaktion, forskydes ligevægten i retning mod produkterne, for at fjerne varme.

Tabel 13.4 opsummerer de måder vi kan anvende Le Châteliers princip til at afgøre den forskydning af ligevægten, der udligner forstyrrelsen der forårsages af ændringen i betingelser.

13.6 – Ligevægt i mættede opløsninger →