KEMISK JÄMVIKT

I många kemiska reaktioner förbrukas de ingående ämnena helt, men inte alltid. I en jämviktsreaktion stannar en del av de ingående ämnena kvar i lösningen eller gasen. För att kunna göra beräkningar för sådana reaktioner har vi till hjälp en jämviktsreaktion och en jämviktskonstant. Men vi börjar med äpplen.

Nisse, som går andra året på gymnasiets naturvetnskapliga program, bor granne med Karl-Erik – en rätt sur och grining gubbe just fyllda 80 år. På gränsen mellan tomterna finns ett stort äppelträd, som visserligen är planterat på Nisses föräldras tomt, men kronan är så stor att det faller ner en del äpplen även på Karl-Eriks sida.

Nisse tycker det är väldigt kul att kasta över mer fallfrukt på Karl-Eriks sida för han vet hur irriterad gubben blir. En dag när Nisse kände sig extra inspirerad, gick han ut i trädgården med ambitionen att kasta över alla nedfallna äpplen till Karl-Erik, för att sedan få njuta av reaktionen. När Nisse nästan fullgjort sin ambition, kom Karl-Erik ut och gormade.

Till Nisses stora förvåning, slutade Karl-Erik snart att skälla på honom och satte sig istället på en stol nära staketet. Han var ju inte alls lika snabb som Nisse på att hämta och kasta över äpplen på andra sidan, men gubben fick iallafall över tillräckligt mycket äpplen för att det aldrig blev tomt på äpplen på Nisses sida.

Nisse ökade takten, för han hade ju beslutat sig för att få över alla äpplen på Karl-Eriks sida. Men hur mycket han än jagade fram och tillbaka på sin sida staketet, lyckades ändå gubben få över så mycket äpplen att det faktiskt fanns fler där än när Nisse startade sitt äppelkrig mot Karl-Erik. Ju svettigare Nisse bev, desto mer njöt Karl-Erik.

Då Nisse är en vältränad yngling, som inte bara presterar bra i kemi, utan även i den lokala orienteringsklubben, har han uthållighet och beslutsamhet nog att hålla på ett tag. Men det spelar ingen roll, så länge Karl-Erik kan sitta där i sin stol och lungt kasta över så mycket han känner för, blir det aldrig tomt på Nisses sida.

Äppelkriget ovan illustrerar kemisk jämvikt mycket väl – en reaktion som kan gå åt båda hållen men aldrig fullt ut åt något håll. Mängden äpplen på båda sidor om staketet avgörs av beslutsamheten och konditionen hos Nisse, men även på Karl-Eriks ambition. I en kemisk reaktion styrs jämvikten istället av vilken reaktion det är och faktorer som koncentration och temperatur.

Åt båda håll

Många kemiska reaktioner kan gå åt båda hållen och de behöver inte pågå tills någon reaktant helt förbrukats. Sådana reaktioner visas med pilar åt båda hållen. 

N2(g) + 3H2(g)        2NH3(g)
2NH3(g)   
    N2(g) + 3H2(g)

Reversibla reaktioner kan gå i båda riktningarna!

Olika typer av jämvikt

Jämvikt har inställt sig när hastigheterna för de båda motsatta reaktionerna är lika. Förhållandet mellan koncentrationerna hos reaktanter och produkter kan variera, som visas i grafen i mitten och till vänster.

Massverkans lag

Sambandet mellan reaktanter och produkter kallas Massverkans lag eller Guldberg-Waages lag:

Jämviktskonstanten, K, är en karaktäristisk storhet för reaktionen, men det är viktigt att ange för vilka villkor den gäller! Se även övningen Jämviktskonstanten!

Jämviktsberäkningar, exempel 1

En behållare som rymmer 2,0 dm3 innehåller vid 450°C en jämviktblandning. Denna består av 0,28 mol HI, 0,080 mol H2 och 0,020 mol I2. Bestäm jämviktskonstanten för bildandet av vätejodid vid försökstemperaturen.

Jämviktsberäkningar, exempel 2

För att framställa etylpropanoat utgår man från 1 mol propansyra och 1 mol etanol. Volymen antas vara v dm3. Jämviktskonstanten är 4,0. Hur stor substansmängd propansyra har vid jämvikt överförts till ester?

Att lösa ut x ur formeln ovan är inte kemi utan matematik. Denna typ av algebra skall du kunna!

Jämvikt eller inte?

Om koncentrationskvoten, Q, inte är lika med jämviktskonstanten, K, är systemet inte i jämvikt. Q beräknas på samma sätt som K.
Q = K  råder jämvikt
Q ≠ K råder inte jämvikt
Q > K  går nettoreaktionen åt vänster
Q < K  går nettoreaktionen åt höger  
 

Förskjutning av jämvikten, koncentration

Koncentrationen ändras

WA + XB      YC + ZD

1. Ökning av [A] eller [B] ger reaktion
2. Minskning av [A] eller [B] ger reaktion
3. Ökning av [C] eller [D] ger reaktion
4. Minskning av [C] eller [D] ger reaktion

Nettoreaktionen, jämviktsförskjutningen, motverkar alltid en påtvingad koncentrationsändring

Förskjutning av jämvikten, tryck

Trycket ändras

WA + XB      YC + ZD

1. Om w + x < y + z ger reaktion
2. Om w + x > y + z ger reaktion 
3. Om w + x = y + z  ändras inte jämviktsläget

Jämviktsläget påverkas bara av en tryckändring om substansmängden gas (antalet gasmolekyler) är olika på de båda sidorna i reaktionsformeln
 

Förskjutning av jämvikten, temperatur

Temperaturen ändras

WA + XB      YC + ZD

1. Om reaktionen → är exoterm: K avtar med stigande temperatur. Jämviktsläget förskjuts därför
2. Om reaktionen ← är endoterm: K ökar med stigande temperatur. Jämviktsläget förskjuts därför

En temperaturökning gynnar den endoterma reaktionen och sänkning den exoterma

Le Chateliers princip

Om man gör en förändring i ett system i jämvikt sker en nettoreaktion – en jämviktsförskjutning – så att ändringen motverkas.

Heterogena jämvikter

Betrakta jämvikten:

CaCO3(s)     CaO(s) + CO2(g)

I heterogena jämvikter befinner sig ämnena inte i samma aggregationstillstånd. Fasta ämnen har konstant koncentration som beror på densiteten. De skall därför inte finnas med i jämviktsekvationen.

Syra-bas-jämvikter

Kommer snart. Se övningen Titrerkurva.

Buffertsystem

Kommer snart!