B2.2 Ligevægtsloven

NoteDet skal du kunne
  • opskrive reaktionsbrøken for en reaktion
  • forklare, hvad ligevægtsloven siger
  • beregne ligevægtskonstanten ud fra koncentrationerne ved ligevægt
  • beregne en ukendt koncentration ved ligevægt
  • vurdere ud fra ligevægtskonstantens størrelse, om der er mest af reaktanter eller produkter

I afsnit B2.1 endte blandingen af N2O4 og NO2 med bestemte koncentrationer. Det er ikke tilfældigt, hvor ligevægten ender. Koncentrationerne ved ligevægt passer altid ind i ét bestemt regnestykke, og det er ligevægtsloven.

Reaktionsbrøken

Til enhver reaktion hører en reaktionsbrøk, som har symbolet Y. Den skrives op ud fra reaktionsskemaet efter tre regler:

  1. Produkternes koncentrationer står over brøkstregen, ganget med hinanden.
  2. Reaktanternes koncentrationer står under brøkstregen, ganget med hinanden.
  3. Hver koncentration opløftes til stoffets koefficient i reaktionsskemaet.
Figur 1: Reaktionsbrøken skrives direkte af efter reaktionsskemaet.

For ligevægten N2O4(g) ⇌ 2 NO2(g) er reaktionsbrøken

\[ Y = \frac{[\mathrm{NO_2}]^{2}}{[\mathrm{N_2O_4}]} \]

Reaktionsbrøken kan regnes ud på ethvert tidspunkt, også når reaktionen ikke er i ligevægt.

Ligevægtsloven

Når en reaktion er i ligevægt, har reaktionsbrøken altid den samme værdi ved en bestemt temperatur. Værdien kaldes ligevægtskonstanten og har symbolet K.

VigtigtLigevægtsloven

Ved ligevægt er reaktionsbrøken lig med ligevægtskonstanten: Y = K.

Det er lige meget, hvor meget stof man begynder med, og hvilken side man begynder fra. Når ligevægten har indstillet sig, giver brøken det samme tal.

NoteEksempel: beregn ligevægtskonstanten

I figuren i afsnit B2.1 var koncentrationerne ved ligevægt [N2O4] = 0,050 M og [NO2] = 0,100 M. Hvad er ligevægtskonstanten?

Formel

\[ K = \frac{[\mathrm{NO_2}]^{2}}{[\mathrm{N_2O_4}]} \]

Beregning

\[ K = \frac{(0{,}100\ \mathrm{M})^{2}}{0{,}050\ \mathrm{M}} = 0{,}20\ \mathrm{M} \]

Konklusion

Ligevægtskonstanten er 0,20 M ved den temperatur, forsøget er udført ved.

Ligevægtskonstantens enhed

Enheden for K findes ved at regne med enhederne i brøken. I eksemplet står der M · M over brøkstregen og M under, så enheden bliver M.

Reaktion Reaktionsbrøk Enhed for K
N2O4 ⇌ 2 NO2 [NO2]2 / [N2O4] M
H2 + I2 ⇌ 2 HI [HI]2 / ([H2] · [I2]) ingen enhed
N2 + 3 H2 ⇌ 2 NH3 [NH3]2 / ([N2] · [H2]3) M−2

Faste stoffer og opløsningsmidlet er ikke med

Koncentrationen af et fast stof ændrer sig ikke, selv om der bliver mere eller mindre af det. Det samme gælder for vand, når vand er opløsningsmidlet. Derfor gælder der to undtagelser:

  • Faste stoffer, mærket (s), er ikke med i reaktionsbrøken.
  • Opløsningsmidlet, som regel H2O(l), er ikke med i reaktionsbrøken.

Når kalk brændes, er to af de tre stoffer faste:

CaCO3(s) ⇌ CaO(s) + CO2(g)

Reaktionsbrøken er derfor kun Y = [CO2].

Hvad fortæller størrelsen af K?

Produkterne står over brøkstregen. En stor ligevægtskonstant betyder derfor, at der er meget produkt og lidt reaktant ved ligevægt.

Figur 2: Ligevægtskonstantens størrelse viser, hvor ligevægten ligger.
  • Er K meget stor, siger man, at ligevægten er forskudt mod højre. Reaktionen forløber næsten til ende.
  • Er K meget lille, er ligevægten forskudt mod venstre. Der sker næsten ingen reaktion.

Luftens nitrogen og oxygen kan reagere og danne NO, men ved stuetemperatur er ligevægtskonstanten omkring 10−30. Derfor består luften stadig af nitrogen og oxygen.

Ligevægtskonstanten afhænger af temperaturen

Hver reaktion har sin egen ligevægtskonstant, og den ændrer sig, når temperaturen ændres. Derfor skal temperaturen altid oplyses sammen med K. Koncentrationer, rumfang og katalysatorer ændrer ikke på K. Det kan du læse mere om i afsnit B2.5 og B2.6.

En ukendt koncentration

Kender man K og alle koncentrationer undtagen én, kan den sidste beregnes med ligevægtsloven.

NoteEksempel: koncentrationen af hydrogeniodid

For ligevægten H2(g) + I2(g) ⇌ 2 HI(g) er K = 50 ved 450 °C. I en beholder er [H2] = 0,020 M og [I2] = 0,020 M ved ligevægt. Hvad er [HI]?

Formel

\[ K = \frac{[\mathrm{HI}]^{2}}{[\mathrm{H_2}] \cdot [\mathrm{I_2}]} \]

Beregning

De kendte tal sættes ind.

\[ K = \frac{[\mathrm{HI}]^{2}}{0{,}020\ \mathrm{M} \cdot 0{,}020\ \mathrm{M}} = 50 \]

Ligningen løses med et CAS-værktøj eller ved at isolere [HI].

\[ [\mathrm{HI}] = \sqrt{50 \cdot 0{,}020\ \mathrm{M} \cdot 0{,}020\ \mathrm{M}} = 0{,}14\ \mathrm{M} \]

Konklusion

Koncentrationen af hydrogeniodid er 0,14 M.

NoteKort sagt
  • Reaktionsbrøken, Y, har produkterne over brøkstregen og reaktanterne under. Koefficienterne er eksponenter.
  • Faste stoffer og opløsningsmidlet er ikke med i reaktionsbrøken.
  • Ligevægtsloven siger, at Y = K ved ligevægt.
  • Ligevægtskonstanten, K, afhænger kun af temperaturen.
  • En stor K betyder, at ligevægten er forskudt mod højre. En lille K betyder, at den er forskudt mod venstre.

Prøv selv: Ligevægtsloven: byg reaktionsbrøken, og find fejl i andres.

Se alle opgaver til emnet “Ligevægtsloven” (B2.2)