B2.1 Kemisk ligevægt
Åbner man en flaske danskvand og skruer låget på igen, holder boblerne snart op med at stige til vejrs. Det ser ud, som om alt står stille. Men i virkeligheden forlader carbondioxidmolekyler hele tiden vandet, mens lige så mange vender tilbage. Sådan en balance mellem to modsatrettede processer kaldes en ligevægt.
Reaktioner, der kan gå begge veje
De fleste reaktioner i bogen til C-niveau blev skrevet med en enkelt pil. Reaktanterne blev brugt op, og så var reaktionen færdig. Men mange reaktioner kan gå begge veje. De kaldes reversible og skrives med en dobbeltpil.
Et eksempel er gassen dinitrogentetraoxid, N2O4, som er farveløs. Et molekyle N2O4 kan gå i stykker til to molekyler nitrogendioxid, NO2, som er en brun gas. Og to molekyler NO2 kan sætte sig sammen til N2O4 igen.
N2O4(g) ⇌ 2 NO2(g)
Reaktionen fra venstre mod højre kaldes reaktionen mod højre. Reaktionen den anden vej kaldes reaktionen mod venstre. Stofferne til venstre for pilen kaldes stadig reaktanter, og stofferne til højre kaldes produkter.
Frem mod ligevægten
En lukket beholder fyldes med ren N2O4. I begyndelsen kan kun reaktionen mod højre forløbe, for der er ingen NO2. Efterhånden som der dannes NO2, begynder molekylerne at støde sammen og blive til N2O4 igen.
Måler man koncentrationerne undervejs, får man kurver, der flader ud og bliver vandrette. Reaktanten bliver ikke brugt op. Reaktionen ser ud til at gå i stå, mens der stadig er N2O4 tilbage.
Når koncentrationerne ikke længere ændrer sig, er reaktionen i ligevægt.
Ligevægten er dynamisk
Forklaringen findes i de to reaktioners hastigheder. Fra afsnit B1.2 ved du, at en reaktion går hurtigere, jo højere koncentrationen af dens reaktanter er.
- I begyndelsen er der meget N2O4, så reaktionen mod højre går hurtigt. Efterhånden som N2O4 bliver brugt, går den langsommere.
- I begyndelsen er der ingen NO2, så reaktionen mod venstre går slet ikke. Efterhånden som der dannes NO2, går den hurtigere.
På et tidspunkt er de to hastigheder blevet lige store. Fra da af bliver der i hvert sekund dannet præcis lige så meget NO2, som der forsvinder. Derfor ændrer koncentrationerne sig ikke mere.
Reaktionerne er altså ikke gået i stå. De forløber begge to hele tiden, men lige hurtigt. Det kaldes en dynamisk ligevægt.
Ved ligevægt er de to hastigheder ens. Det betyder ikke, at der er lige meget af reaktanter og produkter. I eksemplet er der dobbelt så høj en koncentration af NO2 som af N2O4, når reaktionen er i ligevægt.
Kendetegn ved en kemisk ligevægt
- Reaktionen er reversibel og foregår i et lukket system, hvor ingen stoffer kan slippe væk.
- Koncentrationerne af alle stoffer er konstante.
- Reaktionerne mod højre og mod venstre forløber lige hurtigt.
- Ligevægten kan nås fra begge sider. Begynder man med ren NO2 i stedet for ren N2O4, ender man med den samme blanding ved samme temperatur.
Man siger, at ligevægten indstiller sig, når koncentrationerne når deres endelige værdier.
Ligevægte i hverdagen
- Danskvand. I en lukket flaske er der ligevægt mellem carbondioxid i vandet og carbondioxid i luften over vandet. Når flasken åbnes, slipper gassen væk, og ligevægten bliver forstyrret.
- Blodet. Hæmoglobin i de røde blodlegemer binder oxygen i lungerne og afgiver det igen ude i kroppen. Reaktionen er reversibel.
- Svage syrer. Dobbeltpilen i reaktionen mellem eddikesyre og vand i afsnit 7.2 i bogen til C-niveau viser en ligevægt.
Prøv selv: Dynamisk ligevægt: fra trafikken over Lillebælt til N2O4 og NO2.