Chemisch evenwicht - Chemie - Theorie - Toelatingsexamens arts en tandarts

Chemisch evenwicht

Chemisch evenwicht

Voorwoord

Deze theoriehoofdstukken werden in eerste instantie samengesteld om in de theorie te voorzien die vereist is voor het afleggen van de toelatingsexamens arts en tandarts, maar heeft mettertijd een bredere bestemming gekregen, waardoor meer theorie voorzien is dan gekend moet zijn voor het toelatingsexamen. Toch is de theorie relatief beknopt gehouden: ze is vooral bedoeld voor wie het allemaal al eens gezien heeft en wil herhalen en daardoor zijn basis verstevigen. Ik denk dat ze daardoor nuttig kan zijn bij de voorbereiding van die toelatingsexamens, voor olympiades of voor een herhaling van leerstof voor het aanvangen van hogere studies. Maar als je besluit dit document te gebruiken voor welke test dan ook, check dan zelf welke leerstof gekend moet zijn op de officiële sites.
De auteur van dit document kan in geen enkel geval aansprakelijk gesteld worden voor eventuele gevolgen van of schade die kan ontstaan uit het gebruik van dit document.

Inleiding

Een aflopende reactie gaat door tot één of alle reagentia volledig opgebruikt zijn.
Dit wordt in de reactievergelijking voorgesteld door een enkelvoudige pijl, bijvoorbeeld:
Bij een omkeerbare reactie ontstaat een evenwicht.
De reactie stopt als de reactiesnelheid in beide richtingen gelijk is.
We stellen dit voor door een pijl in twee richtingen, bijvoorbeeld:
CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O
2 SO2 + O2

Voorbeeld

Regenwater pikt CO2 op, hierdoor ontstaat een evenwichtsreactie:
CO2 + H2O
Regenwater is dus licht zuur. Dit regenwater tast kalkrotsen aan en daarbij wordt calciumwaterstofcarbonaat, Ca(HCO3)2, gevormd.
H2CO3 + CaCO3
Ca(HCO3)2
Niet-oplosbaar
oplosbaar
Wanneer dit water in open lucht komt (grot), slaat het calciumcarbonaat neer:
CO2 + H2O
Ca(HCO3)2
CaCO3 +
De kalksteen kan dan neerslaan in de vorm van stalagmieten en stalactieten.
Stalagmieten in een kalksteengrot

Voorbeeld

De afzetting van kalksteen en de vorming van CO2 is een zeer langzaam proces.
Bij verwarmen gaat dit proces echter veel sneller.
Daarom dat bijvoorbeeld in een waterkoker het verwarmingselement vrij snel met kalk zal bedekt zijn.
Ontkalken kan met een zuur (bvb. azijnzuur).
Het zuur gaat H3O+ opleveren, dat reageert met de kalksteen:
Kalkafzetting in een warmwaterleiding.
CO2 + 3 H2O
2 H3O+ + CaCO3
Ca2+ +

De wet van Le Châtelet en Van 't Hoff

De wet van Le Châtelet en Van ‘t Hoff zegt:
Een invloed verschuift het evenwicht zodanig dat hij wordt tegengewerkt.
Dit is logisch:
Als men bijvoorbeeld de concentratie van één der stoffen aan één kant verhoogt, verschuift het evenwicht naar de andere kant.
Als men het volume verkleint of de druk verhoogt, wat betekent dat de concentratie verhoogt, verschuift het evenwicht naar de kant van het minst aantal deeltjes, bvb. in onderstaande evenwichtsreactie naar links (dus meer N2O4 en minder NO2).

De wet van Le Châtelet en Van 't Hoff

Of, als men de temperatuur verhoogt, verschuift het evenwicht naar de endotherme kant, dus de kant waar warmte opgenomen wordt.
Bijvoorbeeld, de reactie:
N2 + 3 H2
Heeft als enthalpie-verandering: DH =  -46,11 kJ/mol.
De vorming van NH3 is dus een exotherme reactie.
Als we de temperatuur verhogen verschuift het evenwicht naar links, dus er wordt minder NH3 gevormd.

Evenwichtsconstante

Bij een evenwichtsreactie:
is de evenwichtsconstante:
waarbij de concentraties ([…]) diegene zijn die bij evenwicht optreden.
Opmerking: voor de omgekeerde reactie geldt uiteraard: K' = 1/K.
a A + b B + …
c C + d D + …
[C]c [D]d […]…
[A]a [B]b […]…

Opmerking

Vaste stoffen en zuivere vloeistoffen worden als constant in concentratie bekeken en toevoegen of verwijderen wijzigt hun concentratie en dus het chemisch evenwicht niet.
Vaste stoffen en zuivere vloeistoffen worden dan ook niet in de breuk voor K geschreven.

Opmerkingen

K is afhankelijk van de temperatuur.
Maar ze is onafhankelijk van een katalysator, die enkel de reactiesnelheid beïnvloedt.
Ze is ook niet afhankelijk van de concentraties.
Bij evenwicht geldt ook dat de reactiesnelheid in de ene richting even groot is dan in de andere richting (vnaarrechts = vnaarlinks).
Voor éénstapsreacties geldt:
vnaarrechts = knaarrechts.[A]a[B]b…
vnaarlinks = knaarlinks.[C]c[D]d…
En aangezien vnaarrechts = vnaarlinks is
knaarrechts / knaarlinks = [C]c[D]d… / [A]a[B]b… = K
Dus K = knaarrechts / knaarlinks

Evenwichtsconstante

Als de K-waarde groot is, is het evenwicht meer naar rechts gelegen.
Is de waarde van K klein, dan is het evenwicht meer naar links gelegen.
K > 103: aflopende reactie.
10-3 < K <103: evenwichtsreactie.
K < 10-3: nagenoeg geen reactie.

Hoeveelheden berekenen

Een voorbeeld van het berekenen van hoeveelheden: voor de volgende evenwichtsreactievergelijking is de Kc = 3,0 bij 450 °C.
Hoeveel SO2 (g) moet men toevoegen aan 4,0 mol NO2 (g) om in het evenwichtsmengsel bij 450 °C 2,0 mol NO (g) te bekomen?
Oplossing: Kc = [SO3][NO] / ([NO2][SO2]) = 3,0
Nu zal voor 2 mol NO ook 2,0 mol SO3 ontstaan, 2 mol NO2 verdwijnen en 2 mol SO2 verdwijnen.
Dus onze formule wordt (veronderstel 1 L oplossing):
3 = 2 . 2 / [(4-2).(x-2)] 2 = 2 / (x-2) x-2 = 1 x = 3,0 mol.
SO3 (g) + NO (g)
SO2 (g) + NO2 (g)

Omzettingsgraad

Met omzettingsgraad a bedoelt men het aantal mol weggereageerd/gevormd bij evenwicht gedeeld door het aantal mol weggereageerd/gevormd indien aflopend (van een bepaald reagens).
Bij ionisatiereacties spreekt men van ionisatiegraad, bij dissociatiereacties spreekt men van dissociatiegraad, bij hydrolysereacties van hydrolysegraad, enzovoort.
Een voorbeeld:
Evenwichtsreactie
PCl3 +
Cl2
Beginhoeveelheid
5,0 mol
x mol
Hoeveelheid bij
evenwicht
2,0 mol
y mol
2,0 mol
Omzettingsgraad voor PCl3 a = (5,0 – 2,0)/5,0 * 100% = 60%.

Omzettingsgraad

K > 103: a gaat naar 1.
10-3 < K <103: a tussen 0 en 1.
K < 10-3: a gaat naar 0.

Rendement

Het rendement (of opbrengst) van een reactie voor een bepaald reactieproduct is de massa van dat reactieproduct bij evenwicht gedeeld door de massa van dat reactieproduct moest de reactie aflopend zijn.
Bijvoorbeeld, als we 15 gram azijnzuur met 8 gram methanol mengen wordt, kan maximaal 18 gram methylacetaat en 5 gram water gevormd worden. Als in de praktijk na zuivering slechts 6 gram methylacetaat verkregen wordt, is het rendement:
mverkregen
h = 6/18 . 100% = 33%
. 100%