Kemiallinen tasapaino

Esimerkkinä etyyliasetaatin synteesi

• Estereiden yhteydessä (KE 2, yhdisteet) olet jo alustavasti tutustunut kemiallisen reaktion käänteisyyteen, johon oheisen esimerkin reaktioyhtälön kaksoisnuoli viittaa. Sehän tarkoittaa, että esteröitymisreaktio ei mene "loppuun" reaktioyhtälön stoikiometrian osoittamalla tavalla. Sen sijaan syntyy seos, joka sisältää etikkahappoa, etanolia, etyyliasetaattia ja vettä. Samoin käy vaikka lähdettäisiin liikeelle etyyliasetaatin ja veden seoksesta. Tällainen seos on tasapainoseos.

  Esimerkki
  Vaikka reaktioseoksen koostumus on vakio, se ei tarkoita, että reaktio olisi pysähtynyt. Reaktioseoksessa molekyylit ovat liikkeessä koko ajan ja törmäilevät toisiinsa, minkä seurauksena tapahtuu reaktioita: esteriä syntyy (esteröityminen) ja hajoaa (hydrolyysi).

  	etikkahappo		etanoli		etyyliasetaatti		vesi
  	CH3COOH	+	CH3CH2OH		CH3COOCH2CH3	+	H2O
  alussa	1,00 mol		1,00 mol		0 mol		0 mol
  tasapainossa	0,333 mol		0,333 mol		0,333 mol		0,667 mol

  
  
• Koska tasapainoseoksen ainemäärät pysyvät vakioina, on sekä esteröitymisreaktion että hydrolyysireaktion nopeuksien oltava yhtä suuria.
• Nopeudet puolestaan riippuvat aineiden määrästä (konsentraatioista). Ajatellaan, että nopeudet ovat oheisten lausekkeiden mukaiset (k:t ovat kertoimia, jotka ilmaisevat nopeuden ja konsentraatioiden tulon välisen riippuvuuden).
  Muistathan, että merkintä [X] tarkoittaa yhdisteen tai ionin X konsentraatiota mol/l.

  Esteröityminen	v1 = k1[CH3COOH][CH3CH2OH]
  Hydrolyysi	v2 = k2[CH3COOCH2CH3][H2O]
  Tasapainotilassa	v1 = v2 eli k1[CH3COOH][CH3CH2OH] = k2[CH3COOCH2CH3][H2O]
  Tästä saadaan:

• K on esteröitymisreaktion tasapainovakio. Esimerkin konsentraatioilla, kun tilavuus V pysyy vakiona, sen arvoksi saadaan:
  

  0,667 mol/V · 0,667 mol/V : (0,333 mol/V · 0,333 mol/V) = 4,01

• Koska K = 4,01 > 1, tasapaino on tuotteiden puolella eli oikealla.
• Esteritasapaino on esimerkki massavaikutuksen laista.
• Koska kemiallinen tasapainotila on dynaaminen, siihen voidaan vaikuttaa muuttamalla olosuhteita. Seurauksena syntyy uusi tasapainotila. Kyseessä on esimerkki Le Châtelier'n periaatteesta.

Kysymykset

Mietipä seuraavia tilanteita edellä esitetyssä etyyliasetaatin valmistuksessa.

1. Käytetään happoa 2,0 mol ja etanolia 1,0 mol. Mikä on tasapainoseoksen koostumus (mol)?
   
   
2. Kuinka paljon happoa pitäisi käyttää, että kaikki etanoli (1,0 mol) reagoisi?
   
   
3. Etanoli lisätään vähitellen pienissä erissä. Miten tasapainotila muuttuu?
   
   
4. Etyyliasetaattia poistetaan seoksesta jatkuvasti. Miten tasapainotila asettuu?

Vastaukset

1. Reaktioyhtälön perusteella saadaan:

   c	CH3COOH	+	CH3CH2OH		CH3COOCH2CH3	+	H2O
   alussa	2,00		1,00		0		0	mol/V
   muutos	–x		–x		+x		+x
   tasapainossa	2,00 – x		1,00 – x		x		x	mol/V

   Sijoitetaan tasapainoseoksen konsentraatiot tasapainovakion lausekkeeseen, mol/V voidaan jättää pois, jotta lauseketta olisi helpompi käsitellä.

   K = x2 : {(2,00 – x)(1,00 – x)} = 4,01

   Sievennetään lauseke ja ratkaistaan saatu 2. asteen yhtälö. Ratkaisuksi saadaan x:lle kaksi arvoa: 3,15 ja 0,85. Arvo 3,15 ei kelpaa, koska se ylittää reaktion stoikiometrian mukaisen teoreettisen saannon (joka olisi 1,00 mol).

   CH3COOH	CH3CH2OH	CH3COOCH2CH3	H2O
   1,15 mol	0,15 mol	0,85 mol	0,85 mol

   
   
   
2. Jos tasapainovakion lausekkeeseen sijoitetaan etanolin tasapainokonsentraation arvoksi 0, lauseke ei enää ole määritelty, sillä jakajaksi tulisi 0. Tämä on kuitenkin sopusoinnussa sen tosiasian kanssa, että happoa ei todellakaan voida lisätä niin paljon, että kaikki etanoli reagoisi.
   
   
3. Aina etanolia lisättäessä syntyy uusi tasapainotila. Jos etyyliasetaattia ei poisteta seoksesta, tilanne on lopulta sama kuin, jos koko etanolimäärä lisättäisiin kerralla.
   
   
4. Poistettaessa tuotetta jatkuvasti, sitä myös syntyy jatkuvasti lisää, jotta konsentraatioiden suhde pysyisi tasapainovakion mukaisena. Tällä tavoin tuotteen saantoa voidaan lisätä.
   vrt. Etyyliasetaatin synteesi