Kemiallinen tasapaino Massavaikutuksen laki Le Châtelier'n periaate
Esimerkkinä etyyliasetaatin synteesi Ammoniakkisynteesi Typpihapon valmistus

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.

Kemiallinen reaktio päätyy dynaamiseen tasapainotilaan, jossa etenevän ja palautuvan reaktion nopeus on sama eikä reaktioseoksen koostumuksessa enää tapahdu nettomuutosta.

Tasapainovakio K

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

- Reaktio Tasapainovakio
a A + b B kaksoisnuoli c C + d D tasapainovakion lauseke
[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


Tehtävät

  1. a) Kirjoita reaktion tasapainovakion lauseke.
    2 SO2(g) + O2(g) kaksoisnuoli 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) kaksoisnuoli 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 = lauseke = laskulauseke = 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 .

Sivun alkuun