B2.6 Temperatur og rumfang
I afsnit B2.5 blev ligevægten forstyrret ved at ændre en koncentration. Der er to andre håndtag at skrue på: temperaturen og beholderens rumfang. De virker på hver sin måde.
Temperaturen ændrer ligevægtskonstanten
En ændring i temperaturen er det eneste indgreb, der ændrer selve ligevægtskonstanten. Når K får en ny værdi, er den gamle blanding ikke længere i ligevægt, og reaktionen forløber, indtil Y passer med det nye K.
Hvilken vej det går, afhænger af, om reaktionen er exoterm eller endoterm. Det lærte du om i afsnit B1.3. Er reaktionen mod højre endoterm, er reaktionen mod venstre exoterm, og omvendt.
En opvarmning forskyder ligevægten i den endoterme retning. En afkøling forskyder ligevægten i den exoterme retning.
Reglen passer med Le Chateliers princip. Når der tilføres varme, forskydes ligevægten i den retning, der optager varme.
Et eksempel med farver
Reaktionen N2O4(g) ⇌ 2 NO2(g) er endoterm mod højre. Det koster energi at bryde bindingen mellem de to halvdele af N2O4.
Varmes glasset op, forskydes ligevægten i den endoterme retning, altså mod højre. Der dannes mere brunt NO2, og gassen bliver mørkere. Køles glasset ned, forskydes ligevægten mod venstre, og gassen bliver næsten farveløs.
Er reaktionen mod højre exoterm, er det omvendt. Tabellen viser begge tilfælde, både ved opvarmning og ved afkøling.
| Reaktionen mod højre er | Opvarmning forskyder ligevægten | og K bliver | Afkøling forskyder ligevægten | og K bliver |
|---|---|---|---|---|
| endoterm | mod højre | større | mod venstre | mindre |
| exoterm | mod venstre | mindre | mod højre | større |
Rumfanget
Gør man beholderen mindre, bliver alle gasserne presset sammen. Trykket stiger, og alle koncentrationer bliver større på samme tid. Det ændrer ikke K, men det kan ændre Y.
For ligevægten N2O4(g) ⇌ 2 NO2(g) er reaktionsbrøken
\[ Y = \frac{[\mathrm{NO_2}]^{2}}{[\mathrm{N_2O_4}]} \]
Halveres rumfanget, bliver begge koncentrationer 2 gange så store, som de var lige før indgrebet. Det ændrer brøken på to måder:
- Over brøkstregen står [NO2] i anden. Tallet over brøkstregen bliver derfor 4 gange så stort som før indgrebet.
- Under brøkstregen står [N2O4] uden eksponent. Tallet under brøkstregen bliver derfor kun 2 gange så stort som før indgrebet.
Reaktionsbrøken bliver altså 2 gange så stor som før indgrebet, fordi tallet over brøkstregen bliver 4 gange så stort og tallet under kun 2 gange. Før indgrebet var Y = K, så lige efter er Y = 2 · K, og dermed er Y > K. Reaktionen forløber mod venstre, hvor to molekyler NO2 bliver til ét molekyle N2O4, indtil Y igen er lig med K.
Gøres rumfanget mindre, forskydes ligevægten mod den side, der har færrest gasmolekyler. Gøres rumfanget større, forskydes ligevægten mod den side, der har flest gasmolekyler.
Antallet af gasmolekyler tælles ved at lægge koefficienterne sammen på hver side af dobbeltpilen. Kun stoffer mærket (g) tæller med.
| Ligevægt | Gasmolekyler til venstre | Gasmolekyler til højre | Mindre rumfang forskyder |
|---|---|---|---|
| N2O4(g) ⇌ 2 NO2(g) | 1 | 2 | mod venstre |
| N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g) | 4 | 2 | mod højre |
| H2(g) + I2(g) ⇌ 2 HI(g) | 2 | 2 | ingen forskydning |
Er der lige mange gasmolekyler på begge sider, betyder rumfanget ingenting. Alle koncentrationer ændrer sig lige meget over og under brøkstregen, så Y er uændret.
Det samme gælder for opløsninger, der fortyndes med vand. Fortynding svarer til at gøre rumfanget større, og ligevægten forskydes mod den side, der har flest opløste partikler.
En katalysator forskyder ikke ligevægten
En katalysator sænker aktiveringsenergien, som du lærte i afsnit B1.5. Den lavere bakke gælder i begge retninger, så reaktionen mod højre og reaktionen mod venstre bliver begge hurtigere, og de bliver det lige meget.
En katalysator ændrer derfor hverken K eller blandingens sammensætning ved ligevægt. Den gør kun, at ligevægten indstiller sig hurtigere.
Overblik over indgrebene
| Indgreb | Ændrer K? | Ligevægten forskydes |
|---|---|---|
| En koncentration ændres | nej | så ændringen bliver modvirket |
| Temperaturen hæves | ja | i den endoterme retning |
| Temperaturen sænkes | ja | i den exoterme retning |
| Rumfanget gøres mindre | nej | mod færrest gasmolekyler |
| Rumfanget gøres større | nej | mod flest gasmolekyler |
| En katalysator tilsættes | nej | ingen forskydning |
Ammoniak: et kompromis
Ammoniak til kunstgødning fremstilles af nitrogen og hydrogen:
N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g)
Reaktionen er exoterm mod højre, og der er færrest gasmolekyler til højre.
- Trykket er højt, omkring 200 gange det normale lufttryk. Det presser gasserne sammen og forskyder ligevægten mod højre.
- Temperaturen burde være lav for at forskyde ligevægten mod højre. Men ved en lav temperatur går reaktionen alt for langsomt. Man vælger derfor omkring 450 °C som et kompromis mellem et godt udbytte og en høj hastighed.
- En katalysator af jern får ligevægten til at indstille sig hurtigt.
Her mødes de to kapitler: Kapitel B1 fortæller, hvor hurtigt en reaktion går. Kapitel B2 fortæller, hvor langt den kan gå.
Prøv selv: Volumenændring og ligevægt: se ligevægten blive forskudt.