B2.5 Indgreb i en ligevægt
En ligevægt bliver ved med at være i balance, så længe den får lov at være i fred. Men man kan forstyrre den ved at tilsætte eller fjerne et af stofferne. Så reagerer blandingen, indtil den igen er i ligevægt. Det kan udnyttes til at styre, hvor meget produkt en reaktion giver.
Hvad er et indgreb?
Et indgreb er en ændring udefra, som bringer en blanding ud af ligevægt. I dette afsnit er indgrebet, at koncentrationen af et af stofferne bliver ændret. Temperatur og rumfang kommer i afsnit B2.6.
Efter indgrebet er Y ikke længere lig med K. Reaktionen forløber derfor mod højre eller mod venstre, som du lærte i afsnit B2.4, indtil Y igen er lig med K. Man siger, at ligevægten bliver forskudt. I afsnit B2.2 fortalte ordet, hvor ligevægten ligger. Her fortæller det, at den flytter sig.
Et eksempel med farver
Jern(III)ioner og thiocyanationer reagerer med hinanden og danner en ion, der er kraftigt rød:
Fe3+(aq) + SCN−(aq) ⇌ FeSCN2+(aq)
De to reaktanter er næsten farveløse i en fortyndet opløsning. Jo mere FeSCN2+ der er, jo mørkere rød er opløsningen. Farven viser derfor, hvilken vej ligevægten bliver forskudt.
Forklaringen med Y og K
Reaktionsbrøken for ligevægten er
\[ Y = \frac{[\mathrm{FeSCN^{2+}}]}{[\mathrm{Fe^{3+}}] \cdot [\mathrm{SCN^-}]} \]
Før indgrebet er Y = K. Når der tilsættes Fe3+, bliver tallet under brøkstregen større. Brøken bliver derfor mindre, og nu er Y < K. Reaktionen forløber mod højre. Der dannes mere FeSCN2+, og opløsningen bliver mørkere, indtil Y igen er lig med K.
Graferne viser tre ting, der er typiske for et indgreb:
- Koncentrationen af det stof, der tilsættes, springer lodret op i det øjeblik, indgrebet sker.
- Bagefter ændrer alle koncentrationer sig jævnt, indtil kurverne igen er vandrette.
- Reaktionsbrøken springer væk fra K ved indgrebet og vender derefter tilbage til K.
Læg mærke til, at det tilsatte Fe3+ ikke bliver brugt helt op igen. Den nye ligevægt har mere Fe3+, mindre SCN− og mere FeSCN2+ end den gamle. Men K er den samme som før, fordi temperaturen ikke er ændret.
De fire indgreb
| Indgreb | Reaktionsbrøken | Ligevægten forskydes |
|---|---|---|
| En reaktant tilsættes | Y bliver mindre end K | mod højre |
| En reaktant fjernes | Y bliver større end K | mod venstre |
| Et produkt tilsættes | Y bliver større end K | mod venstre |
| Et produkt fjernes | Y bliver mindre end K | mod højre |
Et stof kan fjernes ved at lade det reagere med noget andet, fx så det danner et bundfald eller bliver til en gas, der slipper væk.
Tilsætter man mere af et fast stof, sker der ingenting. Faste stoffer er ikke med i reaktionsbrøken, så Y ændrer sig ikke.
Le Chateliers princip
Alle fire indgreb følger det samme mønster. Den franske kemiker Henri Le Chatelier formulerede det som en regel:
Et ydre indgreb i et system i ligevægt fremkalder en forskydning, der formindsker virkningen af indgrebet.
Tilsætter man et stof, forskydes ligevægten i den retning, hvor stoffet bliver brugt. Fjerner man et stof, forskydes ligevægten i den retning, hvor stoffet bliver dannet. Ligevægten modarbejder altså indgrebet, men den ophæver det aldrig helt.
Le Chateliers princip er en hurtig huskeregel. Forklaringen med Y og K er begrundelsen for, at reglen virker.
Indgreb, der giver mere produkt
I industrien bruges indgreb til at få mest muligt ud af en reaktion. Fjerner man produktet, efterhånden som det dannes, bliver ligevægten hele tiden forskudt mod højre. Reaktionen kan på den måde drives helt til ende, selv om ligevægtskonstanten er lille.
Når ammoniak fremstilles af nitrogen og hydrogen, køles gasblandingen ned undervejs. Ammoniakken bliver flydende og løber fra, og de to reaktanter sendes tilbage i reaktoren.
Prøv selv: Indgreb i ligevægte: se, hvilken vej ligevægten bliver forskudt.