64H05D0 Chemisch evenwicht (ingevuld) PDF

Preview

Summary

Volledige ingevulde cursus met uitgewerkte oefeningen...

Description

3 HET CHEMISCH EVENWICHT 3.1 AFLOPENDE VERSUS OMKEERBARE REACTIES Tot nu beschouwden we alle reacties in de chemie als aflopend. Dit wil zeggen dat de reactie doorgaat tot één of alle reagentia volledig opgebruikt zijn. Zulke reacties stellen we voor met een enkele pijl. Mg + 2 HCl



MgCl2 + H2

Voor vele reacties geldt dit eenvoudige verloop niet. De deeltjes van een stof zijn voortdurend in beweging, met als gevolg dat ze onderling tegen elkaar botsen. Als de botsingen effectief zijn dan vindt een chemische reactie plaats en worden nieuwe stoffen gevormd. De deeltjes die na de reactie gevormd worden (de reactieproducten) kunnen ook botsen. De mogelijkheid bestaat dat deze deeltjes opnieuw reageren en dat de oorspronkelijke deeltjes opnieuw ontstaan. De reactie is dan omkeerbaar. Zulke reacties stellen we voor met een evenwichtspijl (⇌). Volgend experiment bewijst dat dit inderdaad gebeurt. Proef 1 Dompel een gedeelte van een fenolftaleïnepapiertje in een ammoniakoplossing. Doe eventueel hetzelfde met universeel indicatoroplossing. Waarneming Het fenolftaleïnepapiertje kleurt fuchsia; de universeel indicatoroplossing kleurt blauw Verklaring Uit de waarneming volgt dat een hydroxide gevormd wordt. NH3 + H2O 

NH4OH (ammoniakoplossing)

Reactie 1

Proef 2a Houd een vochtig fenolftaleïnepapiertje (of een vochtig universeel indicatorpapiertje) boven de oplossing. Het fenolftaleïnepapiertje kleurt fuchsia; het universeel indicatorpapiertje kleurt blauw Proef 2b: alternatief http://www.chemicum.com/chemistry-videos/ - pH change in the dissociation of ammonia Bevochtig de bloemblaadjes van een papieren bloem met fenolftaleïne-oplossing, de stengel met universeel indicatoroplossing. Breng in een glazen bak een bodempje ammoniakoplossing. Waarneming

Verklaring

Wij en chemie 64-Werkgroep 3degraad–Bisdommen Mechelen-Brussel en Hasselt–SLO Chemie KU Leuven

221

Uit de waarneming volgt: NH4OH



NH3 + H2O

Reactie 2

Conclusie Reacties 1 en 2 zijn dus omkeerbaar: ze kunnen zowel van links naar rechts verlopen als omgekeerd. Een omkeerbare reactie wordt aangeduid met een evenwichtspijl: NH4OH ⇌

NH3 + H2O

Een reactiemengsel waarbij de heen- en terugreactie aan gelijke snelheid verlopen en waarbij men geen concentratieveranderingen meer kan opmerken heeft zijn evenwichtstoestand bereikt. In dat geval spreekt men van een beweeglijk of dynamisch chemisch evenwicht. Geen van beide reacties kent dan een volledig verloop.

https://www.youtube.com/watch?v=wlD_ImYQAgQ

Wij en chemie 64-Werkgroep 3degraad–Bisdommen Mechelen-Brussel en Hasselt–SLO Chemie KU Leuven

222

3.2 AANTONEN VAN EEN DYNAMISCH EVENWICHT 3.2.1 Experiment A Proef 1 We mengen 2 mL FeCl 3-oplossing (3%) met 2 mL KI-oplossing (2%). We lengen aan met water tot 100 mL en brengen in 5 vakjes van een nunclonschaaltje (of in 5 proefbuizen) telkens 5 mL van dit mengsel. Eén vakje dient als referentie. Volgende reactie treedt op: 2 Fe3+

+

2 I-



SCN1-

Fe3+

2 Fe2+

AgNO3

I

I2

Fe(CN)63-

Fe2+

1-

+

referentie

zetmeel

I2

We gaan na welke van deze deeltjes in het reactiemengsel aanwezig zijn gebruikmakend van volgende identificatiereacties: Deeltje Fe2+ I2 Fe3+ I-

Indicator

Waarneming indien aanwezig

Hier aanwezig?

Fe(CN)63- (=ferricyanide-ion)

blauwgroen mengsel

Proef1 ja

Proef2 ja

zetmeel

donkerblauw mengsel

ja

ja

SCN- (=thiocyanaation)

roodbruin mengsel

ja

ja

AgNO3

lichtgele neerslag

ja

ja

Dat Fe2+ en I2 na de reactie aanwezig zijn is eenvoudig te begrijpen voor een spontane chemische reactie. Fe3+ of I- kan men verwachten indien een van beide in overmaat aanwezig is. Hier zijn echter de vier componenten in het reactiemengsel terug te vinden. Dit betekent dat de reagentia niet volledig omgezet zijn in reactieproducten. We spreken hier van een onvolledige reactie.

B

Proef 2: Is de omgekeerde reactie ook mogelijk? 2 Fe2+ + I 2  2 Fe3+ + 2 I We mengen 2 mL van een FeSO4-oplossing (2 %) met 2 mL van een dijoodoplossing (2 %). We lengen aan met water tot 100 mL en verdelen het mengsel over 5 vakjes van een nunclonschaaltje (of over 5 proefbuizen), waarvan er één als referentie dient. We voeren dezelfde testproeven uit als bij de voorgaande proef.

Wij en chemie 64-Werkgroep 3degraad–Bisdommen Mechelen-Brussel en Hasselt–SLO Chemie KU Leuven

223

Besluit Ook bij deze reactie worden de reagentia niet volledig in reactieproducten omgezet en zijn alle componenten aantoonbaar. De reacties

2 Fe3+

+

2 I-



2 Fe2+

+

I2

2 Fe2+

+

I2



2 Fe3+

+

2 I-

kunnen beide optreden.

Merk op dat de reactieproducten in de eerste reactie = de reagentia in de tweede reactie en omgekeerd. De bovenstaande reactie schrijven we daarom als: 2 Fe3+

+

2 I-

⇌

2 Fe2+

+

I2

3.2.2 Betekenis We brengen Fe3+-ionen samen met I--ionen. Uit deze reactie ontstaan: 2 Fe3+ + 2 I-

 2 Fe2+ + I 2

Hoe verandert de concentratie van Fe3+-ionen en I --ionen? De concentraties dalen. Wat betekent dit voor de reactiesnelheid van deze reactie? De reactiesnelheid daalt. De verandering van de reactiesnelheid voor deze reactie in functie van de tijd wordt voorgesteld in grafiek a. v

v

v

vr = vl bij te

vrechts

vlinks

t (a)

t (b)

t (c)

Uit de reactie van Fe3+-ionen met I --ionen ontstaan Fe2+-ionen en I 2 moleculen, die op hun beurt terug reageren tot 2 Fe3+ + 2 I-



2 Fe2+ + I2

Hoe verandert de concentratie van Fe2+-ionen en I2 moleculen? De concentraties stijgen. Wat betekent dit voor de reactiesnelheid van deze reactie? De reactiesnelheid stijgt. De verandering van de reactiesnelheid voor deze reactie in functie van de tijd wordt voorgesteld in grafiek b.

Wij en chemie 64-Werkgroep 3degraad–Bisdommen Mechelen-Brussel en Hasselt–SLO Chemie KU Leuven

224

Vermits beide reacties gelijktijdig verlopen en reactie reactie

2 Fe3+ + 2 I-

 

van snel naar traag verloopt en 2 Fe2+ + I 2

van traag naar snel verloopt

moet men besluiten dat op een bepaald ogenblik te het chemisch evenwicht zich instelt zodra beide reactiesnelheden aan elkaar gelijk zijn. Vanaf dat moment worden er doorlopend evenveel Fe2+-ionen en I 2 moleculen gevormd, als er terug omgezet worden tot Fe3+-ionen en I --ionen. Daarom ook spreekt men van een dynamisch of beweeglijk evenwicht in tegenstelling tot een statisch evenwicht waar het proces stil ligt. Een chemisch evenwicht is een toestand waarbij de concentraties in het reactiemengsel niet meer veranderen omdat de snelheden van de heen- en terugreactie gelijk zijn. In een gesloten vat verlopen beide reacties omkeerbaar en onvolledig.

Aanwezig na de reactie:

A

+

B

 C

Aflopende reactie in stoichiometrische hoeveelheden Aflopende reactie met overmaat B

X

+ D

X

X

X

X

X X X X Evenwichtsreactie met overmaat B Evenwichtsreactie in stoichiometrische hoeveelheden X X X X Dus: In dit geval volstaat het om aan te tonen dat A aanwezig is na de reactie om te bewijzen dat we te doen hebben met een evenwichtsreactie.

3.3 GRAFISCHE VOORSTELLING EVENWICHTSTOESTAND

VAN

DE

CHEMISCHE

Voor de evenwichtsreactie A + B ⇌ 2 C + D stelt de grafiek links voor elke stof het concentratieverloop in functie van de tijd voor. De verschillende concentraties zijn uitgedrukt in mol/L. Concentratieverandering van de stoffen in functie van de tijd

Reactiesnelheid in functie van de tijd

 Welk is de beginconcentratie van de stoffen in mol/liter: Stof A: 6……… Stof B: 4………… Stof C: 0…………

Stof D: …0………

 Welke stoffen zijn te beschouwen als de reagentia? A en B………………………………………………

Wij en chemie 64-Werkgroep 3degraad–Bisdommen Mechelen-Brussel en Hasselt–SLO Chemie KU Leuven

225

 Welke stoffen zijn te beschouwen als de reactieproducten? C en D……………………………………  Welk is na 1 minuut de concentratie van de stoffen in mol/liter:  Stof A: 4……… Stof B: 2………… Stof C: 4……… Stof D: …2………  Na 1 minuut zijn de concentraties aan stof A en aan stof B verminderd/toegenomen?  Waarom zijn na 1 minuut de concentraties aan stof A en aan stof B met dezelfde waarde veranderd? De coëfficiënten bij A en B in de reactievergelijking zijn aan elkaar gelij k. Eén mol A reageert met én mol B.  Na 1 minuut zijn de concentraties aan stof C en aan stof D verminderd/toegenomen?  Hoe verklaar je de verschillende concentratieverandering voor stof C en stof D na 1 min?  De coëfficiënten bij C en D in de reactievergelijking zijn niet aan elkaar gelijk. Er worden tweemaal zoveel moleculen C gevormd dan D. De concnetratie van C zal dan ook sneller toenemen.  Na hoeveel minuten begint bij deze reactie het chemisch evenwicht? Na 3 miniuten  Teken bij deze tijd een verticale stippellijn evenwijdig met de Y-as  Welke zijn op dat moment de concentraties van de stoffen in mol/liter:  Stof A: 2,5……… Stof B: 0,5………… Stof C: 7………… Stof D: …3,5………  Welke zijn na 5 minuten de concentraties van de stoffen in mol/liter:  Stof A: 2,5……… Stof B: 0,5………… Stof C: 7………… Stof D: …3,5………  Hoe veranderen de concentraties van de stoffen na het instellen van het chemisch evenwicht? De concnetraties veranderen niet meer, ze blijven constant.  Welke van de reagerende stoffen A of B is in overmaat aanwezig? A In de grafiek rechts komt het verloop van de reactiesnelheid in functie van de tijd. Beantwoord eerst volgende vragen: - Hoe verandert de snelheid van de reactie naar rechts: toene mend of afnemend?

- Hoe verandert de snelheid van de reactie naar links: toenemend of afnemend? - Vanaf welk tijdstip zijn beide reactiesnelheden aan elkaar gelijk? Teken bij deze tijd een verticale stippellijn evenwijdig met de Y-as. Na 3 miniuten

- Teken nu een theoretisch mogelijk verloop voor deze reactiesnelheid in de grafiek rechts.

Wij en chemie 64-Werkgroep 3degraad–Bisdommen Mechelen-Brussel en Hasselt–SLO Chemie KU Leuven

226

3.4 FACTOREN DIE HET CHEMISCH EVENWICHT BEÏNVLOEDEN Een evenwichtsreactie komt neer op een omzetting met gedeeltelijke opbrengst. Het kan nuttig zijn bij onvolledige en omkeerbare reacties om de opbrengst van de stoffen in de ene of andere richting te verhogen door de ligging van het evenwicht te beïnvloeden. Dit is vooral van grote economische betekenis in de preparatieve en de industriële scheikunde.

3.4.1 Experimenteel onderzoek A Invloed van de concentratie -  [één van de stoffen] Meng een FeCl3–oplossing met een KSCN-oplossing zodanig dat een licht rood gekleurd mengsel bekomen wordt. Verdeel deze oplossing over 5 proefbuizen of over 5 vakjes van een nunclonschaaltje, waarvan één fractie fungeert als referentie. Fe3+ (lichtgeel) + SCN1- (kleurloos) Verstoring evenwicht door

⇌ FeSCN2+ (rood)

Kleurverandering

Verplaatsing evenwicht

Fe3+ toevoegen als vast FeCl 3 of geconcentreerde opl.

oplossing wordt roder................................... ..

.naar rechts.................................. ...

Fe3+ verwijderen met vast NaOH of geconcentreerde opl.

.. oplossing wordt minder rood.................................... .....................................

.. naar links.................................... ....................................

SCN- toevoegen als vast KSCN of geconcentreerde opl.

.. oplossing wordt roder................................... ......................................

..... naar rechts.................................. ....................................

SCN- verwijderen met vast AgNO3 of geconcentreerde opl.

.. oplossing wordt minder rood.................................... .....................................

... naar links.................................... ....................................

Besluit Verhoogt men de concentratie van één van de stoffen, dan verloopt de reactie zo dat de betrokken stof wordt opgebruikt. Vermindert men de concentratie van één van de stoffen, dan verloopt de reactie zo dat de betrokken stof weer wordt bijgemaakt.

Wij en chemie 64-Werkgroep 3degraad–Bisdommen Mechelen-Brussel en Hasselt–SLO Chemie KU Leuven

227

B Invloed van de concentratie -  [alle aanwezige stoffen] Een concentratieverandering van alle stoffen gebeurt door een volumeverandering. Belangrijk in te zien is dat een volumeverandering de concentraties van al de aanwezige stoffen in het reactiemengsel op dezelfde manier en in dezelfde zin verandert. Volumetoename betekent daling van de concentraties, volumevermindering betekent verhoging van de concentraties. Men heeft volumevermeerdering, dus concentratievermindering: in oplossingen: door te verdunnen bij gassen: door de druk te verminderen Men heeft volumevermindering, dus concentratievermeerdering: in oplossingen: door uitdampen van het oplosmiddel bij gassen: door de druk te vermeerderen.

Bij oplossingen Breng in een proefbuis een spatelpunt CuCl2. Voeg vervolgens een weinig H2O toe zodat een groenachtige oplossing wordt bekomen. Het evenwicht van volgende reactie ligt naar …links… CuCl 2 (groen)

⇌ Cu2+ (blauw) + 2 Cl- (kleurloos)

Verdeel de groene oplossing in 2 fracties en voeg aan 1 fractie vervolgens meer water toe. De verdunde oplossing heeft een blauwe……………………… kleur. Het evenwicht is naar rechts……………………… verschoven. Verdeel de verdunde oplossing in 2 fracties en damp 1 fractie in. De ingedampte oplossing krijgt een groene……………………………… kleur. Het evenwicht van de reactie is naar links………………………… verschoven. Het aantal deeltjes links in de reactie = …1…………………… Het aantal deeltjes rechts in de reactie = …3…………………

Bij gassen We beschikken over een lichtbruin evenwichtsmengsel in een meetspuit: NO 2 is een bruin gas, N2O4 een kleurloos gas. https://www.youtube.com/watch?v=pnU7ogsgUW8 https://www.youtube.com/watch?v=YMqyG9QG6oc Bij drukverhoging (door de zuiger van de meetspuit in te drukken) stelt men vast dat het mengsel minder bruin wordt Bij drukverlaging (door de zuiger van de meetspuit uit te trekken) stelt men vast dat het mengsel bruiner wordt. Het aantal deeltjes links in de reactie = …2…………………… Het aantal deeltjes rechts in de reactie = …1…………………

Wij en chemie 64-Werkgroep 3degraad–Bisdommen Mechelen-Brussel en Hasselt–SLO Chemie KU Leuven

228

Besluit Door volumevergroting (bij oplossingen water toevoegen of bij gassen druk verlagen) verschuift het evenwicht naar de kant met de meeste/minste deeltjes. Door volumevermindering (bij oplossingen water onttrekken of bij gassen druk verhogen) verschuift het evenwicht naar de kant met de meeste/minste deeltjes.

C

Invloed van de temperatuur Proef 1

We gieten wat gekoelde koolzuurhoudende frisdrank of water in een beker. In de vloeistof brengen we een hete metalen staaf. Men zal onmiddellijk de overvloedige vorming van gasbellen zien op het oppervlak van de glazen staaf. De reactie die optreedt is: H2CO3 (opl) + warmte

⇌ H2O + CO2 (g)

H2O + CO2 (opl) + warmte ⇌

H2O +

of

CO2 (g)

Bij hogere temperatuur lost er minder CO2 op in water, bij lage temperatuur meer.

Wij en chemie 64-Werkgroep 3degraad–Bisdommen Mechelen-Brussel en Hasselt–SLO Chemie KU Leuven

229

Proef 2 https://www.youtube.com/watch?v=qbQn93_Aax4 Twee glazen buisjes zijn gevuld met hetzelfde evenwichtsmengsel van het bruine NO2-gas en het kleurloze N2O4-gas. 2 NO2

⇌ N2O4 + energie

Bij dezelfde temperatuur bezit de inhoud van beide buisjes dezelfde bruine kleur. Het ene buisje wordt verwarmd. De inhoud van het verwarmde buisje kleurt donkerder/lichter. Het andere buisje wordt gekoeld in een ijsbad. De inhoud van het gekoelde buisje kleurt donkerder/lichter.

Door een temperatuursverhoging verandert de kleur van ..lichtbruin.................... naar …donkerbruin……........... Het evenwicht verschuift dus naar ...links...................... Tijdelijk overheerst de endotherme reactie om de toegevoegde warmte zoveel mogelijk te verbruiken en de opwarming tegen te gaan. Door een temperatuursverlaging verandert de kleur van .. donkerbruin..................... naar lichtbruin.................. Het evenwicht verschuift dan naar ....rechts................... Tijdelijk zal de exotherme reactie overheersen om warmte vrij te stellen en zo de afkoeling tegen te gaan.

D Invloed van de katalysator De invloed van een katalysator op de reactieconstante is dezelfde van links naar rechts als van rechts naar links. Stijgt of daalt k1, dan stijgt of daalt k 2 in dezelfde zin en in dezelfde mate. Een katalysator kan de snelheid waarmee het evenwicht wordt ingesteld beïnvloeden maar heeft geen invloed op de ligging van het chemisch evenwicht.

Wij en chemie 64-Werkgroep 3degraad–Bisdommen Mechelen-Brussel en Hasselt–SLO Chemie KU Leuven

230

3.4.2 Wet van Le Chatelier - Van ’t Hoff

Invloed

Verschuiving evenwicht

Concentratie van één van de stoffen stijgt.

De reactie verloopt zo dat de betrokken stof weer wordt opgebruikt.

Concentratie van één van de stoffen daalt.

De reactie verloopt zo dat de betrokken stof weer wordt bijgemaakt.

Reactievolume vergroot. De druk daalt = concentratievermindering.

De reactie verloopt zo dat de concentratie weer toeneemt: het evenwicht verschuift naar de kant met het grootst aantal deeltjes (moleculen).

Reactievolume verkleint. De druk stijgt = concentratievermeerdering.

De reactie verloopt zo dat de concentratie weer afneemt: het evenwicht verschuift naar de kant met het kleinst aantal deeltjes (moleculen).

De temperatuur stijgt.

De reactie verloopt zo dat er meer warmte wordt opgenomen: de endotherme reactie wordt bevorderd.

De temperatuur daalt.

De reactie verloopt zo dat er meer warmte wordt afgegeven: de exotherme reactie wordt bevorderd.

Toevoegen van een katalysator.

Een katalysator kan de snelheid waarmee het evenwicht wordt ingesteld beïnvloeden maar heeft geen invloed op de ligging van het chemisch evenwicht.

Kortweg Een invloed verschuift het evenwicht zodanig dat die invloed wordt tegengewerkt. Interessante websites http://users.skynet.be/eddy/principe_van_le_chatelier.htm http://www.chm.davidson.edu/java/lechatelier/lechatelier.html

Wij en chemie 64-Werkgroep 3degraad–Bisdommen Mechelen-Brussel en Hasselt–SLO Chemie KU Leuven

231

3.4.3 Opgaven Opmerking : x is overal een positief getal 1 Gegeven de omkeerbare reactie C + H2O (g) ⇌ CO (gas) + H2 (g) Bij 1500 °C wordt meer CO gevormd dan bi...