Massavaikutuksen laki

Massavaikutuksen laki on saanut nimensä siitä, että se kuvaa, kuinka reagoivien aineiden määrät suuntaavat reaktion kulkua. Laki kehiteltiin paljon ennen kuin syntyi ainemäärän käsite.

Tähän mennessä olet käsitellyt reaktioita stoikiometrian puitteissa, siis päättelemällä reaktiossa syntyvien tuotteiden tai lähtöaineiden määrät reaktioyhtälön kertoimien avulla. Edelleenkin laskuissa tarvitaan stoikiometriaa, mutta lisäksi useissa tapauksissa on otettava huomioon, etteivät reaktiot kulje loppuun vaan päätyvät tasapainotilaan.

Ohessa on lyhyt yhteenveto perusasioista. Jos aihe on vielä kovin uutta, niin kannattaa tutustua ensin esimerkkitapaukseen etyyliasetaatin valmistuksesta. Esimerkki ajattelumallista.

Tasapainovakio K

Kemiallisen reaktion tasapainokonsentraatioiden välillä vallitsee suhde, jonka ilmaisee massavaikutuksen laki.

-	Reaktio	Tasapainovakio
	a A + b B c C + d D
	[A] ja [B] ovat lähtöaineiden tasapainokonsentraatiot. [C] ja [D] ovat tuotteiden tasapainokonsentraatiot. a, b, c ja d ovat reaktion stoikiometriset kertoimet.

Massavaikutuksen laki on kemian keskeisimpiä lainalaisuuksia. Sen kehittivät vv.1864 – 67 norjalainen matemaatikko Cato Guldberg ja norjalainen kemisti Peter Waage

• Reaktion tasapainovakion arvo on sille tyypillinen, mutta muuttuu lämpötilan mukaan.
• Tasapainovakio lasketaan tasapainoseoksen konsentraatioiden mukaan. Kaasuilla konsentraatio ilmaistaan usein osapaineiden avulla. Osapaineiden mukaan laskettu tasapainovakio on lukuarvoltaan erisuuri kuin konsentraatioiden mukaan laskettu.
• Tasapainoseoksessa tapahtuu sekä etenevä että palautuva reaktio. Jos molemmille määritellään tasapainovakion lauseke massavaikutuksen lain mukaisesti saadaan lausekkeet, joiden arvot ovat toistensa käänteislukuja.
  Esimerkki

  Reaktiot	Tasapainovakiot
  N2 + 3 H2 2 NH3
  	etenevä	palautuva

  Käänteisreaktioille K₁ · K₂ = 1

Tehtävät

1. a) Kirjoita reaktion tasapainovakion lauseke.

   2 SO2(g) + O2(g)

   2 SO3(g)

   b) Laske tasapainovakion arvo, kun tasapainokonsentraatiot ovat [SO₂] = 0,68 mol/l [ O₂] = 0,88 mol/l ja [SO₃] = 2,3 mol/l. Päättele tasapainovakion arvosta, onko reaktion tasapaino oikealla vai vasemmalla.
   
   
2. Laske edellisen tehtävän reaktion tasapainokonsentraatioiden suhde ja vertaa sitä stoikiometriseen suhteeseen (reaktioyhtälön kertoimiin). Johtopäätöksiä?
   
   
3. Reaktion

   2 NO2(g)

   2 NO(g) + O2(g)

   Tasapainokonsentraatiot ovat [NO₂] = 0,016 mol/l , [NO] = 0,26 mol/l ja [O₂] = 0,13 mol/l. a) Vertaa konsentraatioiden suhdetta reaktioyhtälön kertoimiin. b) Laske palautuvan reaktion tasapainovakion arvo. Johtopäätöksiä?

Vastaukset

1. Tasapainovakion lauseke

   K =

   =

   = 13 (l/mol)

   b) Jotta lasku näyttäisi selkeältä, lausekkeessa ei ole käytetty konsentraation laatua mol/l. Suomessa on tapana käyttää tasapainovakioiden yhteydessä laatua, ulkomaisissa teksteissä laatu yleensä puuttuu. Laadusta tulee reaktioyhtälön ja lausekkeen mukaisesti erilainen eri reaktioissa. Tässä: (mol/l)² :{(mol/l)² · mol/l} = l/mol.

   K > 1, joten tasapaino on tuotteiden puolella (oikealla).

2. Vertailu

   Tasapaino	[SO2] : [ O2] = 0,68 mol/l : 0,88 mol/l = 1 : 1,3 [SO2] : [SO3] = 0,68 mol/l : 2,3 mol/l = 1 : 3,4
   Reaktioyhtälö	[SO2] : [ O2] = 2 : 1 [SO2] : [SO3] = 2 : 2 = 1 : 1

   Johtopäätöksiä: Reaktioyhtälön kertoimet eivät ilmaise tasapainoseoksen konsentraatioiden suhdetta, vaikkakin ne kuvaavat sitä missä suhteissa aineet voivat reagoida keskenään.
   
   
3. a) Vertailu

   Tasapaino	[NO] : [ O2] = 0,26 mol/l : 0,13 mol/l = 2 : 1 [NO2] : [NO] = 0,016 mol/l : 0,26 mol/l = 1 : 16
   Reaktioyhtälö	[NO] : [ O2] = 2 : 1 [SO2] : [NO] = 2 : 2 = 1 : 1

   Johtopäätöksiä: Tuotteiden konsentraatioiden suhde on reaktioyhtälön kerrointen mukainen. Kyseessä ei ole sattuma. Alussa tuotteita ei ole lainkaan, mutta reaktion käynnistyessä niitä syntyy reaktion stoikiometrian mukaisesti. Myös tuotteiden hajoaminen noudattaa samaa stoikiometriaa, joten pakosta konsentraatioiden suhde muodostuu reaktioyhtälön kerrointen mukaiseksi.

   Huomaa, että näin ei ole aina. Esimerkiksi jotakin tuotetta voidaan poistaa reaktioseoksesta tai sitä voidaan lisätä reaktioseokseen, jolloin syntyvän tasapainotilan konsentraatiot muodostuvat tilanteen mukaan. Stoikiometria siis hallitsee reaktion kulkua mutta ei määrää tasapainoseoksen lopullista koostumusta.

   Sen sijaan lähtöaineen ja toisen tuotteen suhde kertoo, että lähtöainetta on kulunut paljon. Reaktio tapahtuu tässäkin reaktioyhtälön kerrointen mukaisesti eli kahdesta NO₂-molekyylistä syntyy yksi O₂-molekyyli ja kaksi NO-molekyyliä. Reaktio edistyy siten, että NO₂-molekyylejä hajoaa aluksi enemmän kuin syntyy, kunnes saavutetaan tasapainotila, jossa hajoaminen ja muodostuminen tapahtuvat yhtä nopeasti.

   b) [NO₂]² : {[O₂][NO]²} = 0,016² : {0,13 · 0,26²} = 0,029 (l/mol) < 1
   
   Johtopäätös: Koska palautuvan reaktion tasapainovakion arvo on pienempi kuin yksi, tasapaino on reaktiossa etenevän reaktion mukaan oikealla .