2.5 VOORBEELDEN VAN EVENWICHTSREACTIES IN HET DAGELIJKSE LEVEN

2.5.1 Ontstaan van grotten en druipstenen

CaCO3 (v) + CO2 (g) + H2O (vl) Ca2+ (opl) + 2 HCO3- (opl)

onoplosbaar oplosbaar

• CaCO3 = calciumcarbonaat = kalksteen = ketelsteen

• niet oplosbaar in water

• CaCO3 in contact met CO2 –rijk water kan oplossen, afhankelijk van de ligging van onderstaand

calciumcarbonaat – calcium waterstofcarbonaat- evenwicht

A Grotvorming• Regenwater neemt CO2 uit lucht op en wordt zuur (pH < 7)

• Dit CO2-houdend water infiltreert in kalklagen en lost het kalkgesteente langzaam op : wateroplosbare Ca2+- en HCO3

-

-ionen worden gevormd omdat het evenwicht naar ……………… verschuift CaCO3 + H2O + CO2 Ca2+ + 2 HCO3

- Regenwater met opgenomen CO2

• Deze ionen spoelen met het grondwater verder en zo ontstaan onderaardse holten of grotten (Remouchamps, Han-sur-Lesse)

rechts

• In grot : zeer lage CO2-concentratie

• Water met opgeloste Ca2+- en HCO3- -ionen dringt binnen in grot met

lage CO2-concentratie: CO2 wordt aan de lucht afgegeven; kalksteen kristalliseert door verschuiving van het evenwicht naar …………..: onderstaande reactie gebeurt Ca2+ + 2 HCO3

- CaCO3 + H2O + CO2

• Zo ontstaan druipstenen. Stalactieten: doorsijpelend water komt uit zoldering vrij Stalagmieten: ontstaan waar de waterdruppel op de rotsbodem valt Na verloop van tijd kan zo een zuil ontstaan.

• Zeer trage CaCO3-vorming door:

• hoge vochtigheidsgraad (veel H2O)

• lage temperatuur (lage reactiesnelheid)

B Druipstenen

links

• Ca2+- en/of Mg2+-ionen : in water opgelost als Mg(HCO3)2 en Ca(HCO3)2.

• Water verhitten : CO2 verdwijnt uit water en evenwicht verschuift naar ……… ‘ketelsteen’ = ‘kalkaanslag’ ontstaat

Ca2+opl + 2 HCO3

- opl CaCO3 v + H2O + CO2 g

ionen in oplossing ketelsteen

• problemen met kalkaanslag bij toestellen met warm water: – waterketel– verwarmingselement koffiezetapparaat

• verwarmingselement mogelijk beschadigd door lokale oververhitting tengevolge van slechte warmteoverdracht

• Daarom CaCO3-aanslag verwijderen ‘ontkalken’

• kalksteen verwijderen door toevoegen van zuur

– HCl : ontkalken van sanitaire installaties : in WC-reiniger– huishoudazijn 8° = azijnzuur CH3-COOH : voor meeste huishoudelijke toestellen

2.5.2 Vorming van ketelsteen

CaCO3 (v) + 2 HCl CaCl2 (opl) + H2O + CO2 (g)

rechts

Gebruiksaanwijzing voor onderhoud stoomstrijkijzerHet is belangrijk dat u tenminste eenmaal per twee weken de "zelfreiniging" toepast. Daarmee verwijdert u de kalkaanslag. Naarmate het water waarmee u het strijkijzer vult harder is, zult u vaker de zelfreiniging moeten toepassen.

2.5.3 Zuurstoftransport in het bloed

Zuurstoftransport door bloed van de longen naar organen, hersenen en naar spieren die arbeid verrichten.

Het hemoglobine zorgt ervoor dat er zuurstof in ons bloed oplost. Hemoglobine (HHb, donkerrood) bindt zuurstof tot oxyhemoglobine (HbO2, lichtrood).

longen HHb(aq) + 4 O2 (gas) Hb(O2)4

- (aq) + H+

weefsels

donkerrood lichtrood

Opname en afgifte van O2 gebeurt via een evenwichtsreactie:

Hemoglobine HHb bindt zuurstofgas (O2) tot oxyhemoglobine Hb(O2)4-

• In longen : hoge [O2] ; HHb bindt met O2 tot Hb(O2)4-

dus evenwicht naar rechts: O2 lost op en bloed lichtrood

• transport van dit zuurstofrijke bloed naar andere lichaamsdelen

• In weefsels : lage [O2]; Hb(O2)4-

ontbindt tot HHb en O2 gas;

dus evenwicht naar links: O2 komt vrij, bloed donkerrood

• transport van dit zuurstofarme bloed naar de longen

• In longen : terug hogere [O2] ; HHb bindt opnieuw met O2 tot Hb(O2)4-

;

dus evenwicht opnieuw naar rechts: O2 lost op en bloed

lichtrood

• Zin van deze omkeerbare reactie hangt ook af van de zuurgraad van de omgeving.

Algemeen geldt:Is de zuurstofgasconcentratie hoog en de zuurgraad laag dan wordt het evenwicht naar rechts verschoven en oxyhemoglobine gevormd.

O2-arme plaatsen in ons lichaam: rijk aan CO2 dus lichtjes zuur (verhoogde zuurgraad). O2-rijke plaatsen in ons lichaam: arm aan CO2 dus minder zuur (verlaagde zuurgraad).

Koolstofmonoxide CO vormt met hemoglobine het carboxyhemoglobine dat veel stabieler is dan het oxyhemoglobine:carboxyhemoglobine ontbindt veel moeilijker tot hemoglobine. Het evenwicht

hemoglobine + koolstofmonoxide carboxyhemoglobine

ligt dus zeer sterk naar rechts. Eens hemoglobine zich gebonden heeft aan CO is het niet langer beschikbaar om zuurstof te vervoeren en komt het lichaam in zuurstofnood. Vandaar de giftige werking van CO.

2.5.4 Suikertransport in het bloed

• Glucose: ook genoemd bloedsuiker: wordt door bloed vervoerd naar alle lichaamscellen

• glucose wordt ‘verbrand’ met O2 : energie komt vrij voor de levensverrichtingen

• normaal glucosegehalte: 4 g /5 liter bloed• teveel glucose: - door insuline omgezet in glycogeen

- opgeslagen in lever en spieren als reservevoedsel

• bij plotse energienood: door glucagon terug vorming van glucose via omkeerbare reactie

insuline glucose glycogeen glucagon

2.5.5 Preparatieve industrie

• rendement van een reactie verhogen door beïnvloeding van chemisch evenwicht

• één van de reagentia (het goedkoopste) in overmaat gebruiken

• bvb. verhoging opbrengst SO3 in het evenwicht

2 SO2 + O2 2 SO3 door te werken in overmaat O2 vermits SO2 te duur is

HET CHEMISCH EVENWICHT

• 2.1 Omkeerbare reacties.• 2.2 Aantonen van een dynamisch evenwicht.• 2.3 Grafische voorstelling van de chemische

evenwichtstoestand.• 2.4 Factoren die het chemisch evenwicht

beïnvloeden.• 2.5 Voorbeelden van evenwichtsreacties in het

dagelijkse leven.• 2.6 Kwantitatieve benadering van het chemisch

evenwicht.

2.6 KWANTITATIEVE BENADERING VAN HET CHEMISCH EVENWICHT

2.6.1 Homogeen evenwicht en evenwichtsconstante Kc

• reactiemengsel in evenwicht• toestand van niet-veranderende eigenschappen

• concentraties van reagentia en reactieproducten constant vanaf te

• gevolg van gelijk geworden snelheden voor de heen- en terugreactie

• verlopen in gesloten systeem

• omkeerbaar en onvolledig

• continu en gelijktijdig

• hierdoor dynamisch evenwicht

• aanwezige stoffen hebben en behouden een bepaalde concentratie nl. de evenwichtsconcentratie [ ]e

(zolang de reactieomstandigheden niet wijzigen)

2.6.2 Evenwichtsconstante Kc en ligging van het chemisch evenwicht

Beschouwen we de omkeerbare reactie 2 HI H2 + I2

Toepassing van de snelheidswet van Guldberg en Waage levert

voor de analyse: v1 = k1 [HI]2

voor de synthese: v2 = k2 [H2] [I2]

Bij evenwicht geldt: v1 = v2

k1 [HI]e2 = k2 [H2]e [I2]e

De evenwichtsconstante Kc voor deze reactie is dan

Voor de algemene reactie aA + bB + … cC + dD + ...geldt analoog de evenwichtsconstante

A De evenwichtsconstante Kc

c

2 e 2 e1

2 e

*= =

2

k [H ] [I ]K

k [HI]

c

c d ...* *e e e=

a b ...* *e e e

[C] [D] [...]K

[A] [B] [...]

[..]e = de molaire concentratie op het ogenblik van het evenwicht

Kc duidt erop dat in de breuk enkel concentraties worden beschouwd

Daar een evenwichtsreactie ook omgekeerd kan geschreven worden geldt dat de evenwichtsconstante van de omgekeerde reactie K'c = 1/Kc.

Concreet voorbeeldGegeven de evenwichtsreactie H2 + I2 2 HIUitgaande van verschillende beginconcentraties van H2 en I2 werden bij 425 °C volgende evenwichtsconcentraties gemeten. Bereken telkens Kc en K'c.

H2 (10-3 mol/l) I2 (10-3 mol/l) HI (10-3 mol/l) Kc K'c

0,48 0,48 3,54

1,83 3,13 17,67

2,91 1,71 16,48

54,4

54,5

54,6

0,0184

0,0183

0,0183

ConclusieDe evenwichtsconcentraties zijn bij deze temperatuur zodanig dat de concentratiebreuk steeds dezelfde waarde heeft, nl van de evenwichtsconstante Kc .

• Grootte Kc : indicatief voor ligging evenwicht

• interpretatie niet altijd eenvoudig: Kc verschillend van reactie tot reactie

• Algemeen- Kc is een positief getal (niet gelijk aan 0)

- een grote Kc-waarde: evenwicht meer naar rechts een grote omzetting van links naar rechts en een geringe omzetting van rechts naar links. De reactiepijlen worden dan als volgt getekend:

- een kleine Kc-waarde: evenwicht meer naar links een geringe omzetting van links naar rechts

een grote omzetting van rechts naar links. De reactiepijlen worden dan als volgt getekend:

- wanneer Kc erg groot of heel klein is : schijnbaar aflopende reactie of spontaan proces, respectievelijk naar rechts of naar links en aangegeven met of

B Ligging van het evenwicht

Op basis van een diepgaande studie van energetische aspecten van een chemische reactie geldt bij T = 298 K volgend overzicht:

Kc > 10+3

10+3 > Kc > 10-3

Kc < 10-3

aflopende reactie

onvolledige reactie, evenwichtsreactie

nagenoeg geen reactie

1

0 < < 1

0

• Info over ligging evenwicht aangeven :• door Kc (concentraties van alle stoffen)• in procenten, in fracties van 1 of in omzettingsgraad

•

• Omzettingsgraad wordt ook genoemd- ionisatiegraad (bij ionisatiereacties)- dissociatiegraad (bij dissociatiereacties)- hydrolysegraad (bij hydrolysereacties)- …

- aflopende reactie: = 1 ( rendement = .100% )- reagentia stoichiometrisch aanwezig: reageren volledig weg- reagentia niet-stoichiometrisch aanwezig:

- limiterend reagens : helemaal weg- andere reagentia: overmaat blijft over

- evenwichtsreactie: 0 1 of 0% 100% - bvb. = 0,94 of = 94%- beperkend reagens reageert nooit voor 100% weg- sterk afhankelijk van concentratie, druk en temperatuur

cfr. factoren die ligging chemisch evenwicht beïnvloeden

C Omzettingsgraad

werkelijke hoeveelheid aantal mol weggereageerd/gevormd bij evenwichttheoretische hoeveelheid aantal mol weggereageerd/gevormd indien aflopende reactie

2.6.3 Stoichiometrische berekeningen bij evenwichtstoestanden

• Algemene strategie voor stoichiometrie

• gegevens in mol• reactievergelijking• toepassing of interpretatie• herleiding of omrekening

• Bij interpretatie: rekening houden met onvolledig verloop: vanuit verhoudingen in de reactievergelijking achtereenvolgens interpreteren

• aantal mol aanwezig bij begin n0 ofwel de beginconcentratie [ ]0 • verandering van aantal mol n0 ofwel de concentratieverandering [ ]0 • aantal mol aanwezig bij evenwicht ne ofwel de evenwichtsconcentratie [ ]e

A Algemene werkwijze

reactievergelijking n0

[ ]0

Δn0 Δ[ ]0

ne

[ ]e

αK

In dit schema duiden de pijlen toegelaten overgangen aan.

B Concreet voorbeeld

Gegeven de evenwichtsreactie NH3 N2 + H2

Bij een bepaalde temperatuur uitgaande van 5 mol NH3 in een reactievat van 5 liter blijft er bij evenwicht nog 3 mol over. Bereken de waarde van Kc en K'c en bespreek de ligging van het evenwicht.

Stap 1: Maak een overzichtsschemaVul de voorgetallen van de reactievergelijking en de gegevens in:

2 NH3 N2

+ 3 H2

n0

Δn0

ne

5 0 0

... ... ...

3 ... ...Stap 2: Vul de veranderingen in

2 NH3 N2 + 3 H2

n0

Δn0

ne

5 0 0

- 2 + 1 + 3

3 ... ...

Stap 3: Vul de hoeveelheden bij evenwicht in

2 NH3 N2

+ 3 H2

n0

Δn0

ne

5 0 0

- 2 + 1 + 3

3 1 3Stap 4: Vul het reactievolume in en bereken de evenwichtsconcentraties

2 NH3 N2 + 3 H2

n0

Δn0

ne [ ]e

5 0 0

- 2 + 1 + 3

3 1 3

0,6 0,2 0,6

Stap 5: Schrijf de formule van de evenwichtsconstante en voer de berekening uit

2

3

e3

e2e2

NH

H.NcK

2

3

1

1-1-

mol.l 0,6

mol.l 0,6.mol.l 0,2 22.lmol 0,12

Het evenwicht ligt dus naar links

Schrijf de formule van de evenwichtsconstante voor de omgekeerde reactie en voer de berekening uit

3

2

'e2e2

e3

H.N

NHcK

1-1

1-

mol.l 0,2.mol.l 0,6

mol.l 0,63

22-2 .lmol 8,3

C OpgavenA Kc berekenen uit de evenwichtsconcentraties en omgekeerd

1. Een mengsel van 0,20 mol N2 en 0,55 mol H2 wordt in een vat van 10 liter gebracht. Bij evenwicht blijkt er 0,10 mol NH3 aanwezig te zijn. Bereken bij de heersende reactieomstandigheden de evenwichtsconcentraties van de andere gassen en Kc. Antwoord: Kc = 10.10 (mol/l)-2

2. De evenwichtsconstante van de omkeerbare reactie N2 + O2 2 NO bedraagt 0,0056. In 10 liter reactiemengsel zijn bij evenwicht 2,0 mol O2

en 2,0 mol N2 aanwezig. Bereken hoeveel mol NO het reactiemengsel bij evenwicht bevat. Antwoord: 0,15 mol

B Omzettingsgraad berekenen uit de evenwichtsconcentraties en omgekeerd

1. In een bepaald volume en bij bepaalde temperatuur zijn oorspronkelijk 3,0 mol H2 en 2,0 mol I2 aanwezig. Bij instelling van het evenwicht vind je 1,6 mol HI. Bereken de omzettingsgraad. Antwoord: = 0,40 = 40%

2. De evenwichtsconstante voor de ionisatiereactie van benzoëzuur (C6H5COOH) bij 298 K bedraagt 6,3.10-5 mol/l. Bereken de ionisatiegraad als 0,50 mol benzoëzuur in 5,0 liter water wordt opgelost. Antwoord: = 2,5.10-2

C Berekenen van evenwichtsconcentraties bij verschuivingen door beïnvloedende factoren

1. Voor de evenwichtsreactie H2 + I2 2 HI zijn bij 425 °C de oorspronkelijke evenwichtsconcentraties van de verschillende stoffen: [H2]e1 = 1,83 mol/l , [I2]e1 = 3,13 mol/l , [HI]e1 = 17,67 mol/l. Men verdubbelt de concentratie van H2. Bereken de nieuwe evenwichtsconcentraties. Antwoord: [H2]e2 = 2,88 mol/l ; [I2]e2 = 2,35 mol/l ; [HI]e2 = 19,2 mol/l

2. Uitgaande van SO2 en O2 wordt voor de synthese 2 SO2 + O2 2 SO3 bij constante temperatuur de druk 5 maal verhoogd. Met welke factor verandert [SO3]? Antwoord: 11,2

3. Uitgaande van PCl5 wordt voor de dissociatie in gasvorm PCl5 PCl3 + Cl2 de druk 4 maal verlaagd. Met welke factor veranderen [PCl3] en [Cl2]? Antwoord: 0,5

D Extra oefenmateriaal

1. Gegeven de omkeerbare reactie 2 SO3 2 SO2 + O2. In een reactieruimte van 10 l brengt men 0,60 mol SO2 en 0,30 mol O2. Bij het intreden van het evenwicht is nog 0,20 mol SO2 over. Bereken Kc. Antwoord: Kc = 0,25.10-2 mol/l

2. Gegeven de omkeerbare reactie : A + 2 B C + 3 D. In één liter brengt men 2,0 mol A en 3,0 mol B. Bij het evenwicht blijkt 0,50 mol C gevormd. Bereken Kc. Antwoord: Kc = 0,28 mol/l

3. Voor de evenwichtsreactie H2(g) + I2(g) 2 HI(g) is Kc = 54,5 bij 425 °C. In een gashouder van 10 liter breng je een hoeveelheid HI. Wanneer het evenwicht is ingesteld bij 425 °C vind je 5,0 mol HI. Bereken de evenwichtsconcentraties van H2 en I2. Antwoord: 0,068 mol H2/liter en 0,068 mol I2/liter

4. In een reactievat van 10 l verhit je een mengsel van 1,0 mol fosforpentachloride en 0,50 mol fosfortrichloride. Het volgende evenwicht komt tot stand: PCl5(g) PCl3(g) + Cl2(g)

Bij de heersende temperatuur is Kc = 0,041 mol/l. Bereken hoeveel mol dichloor het evenwichtsmengsel bevat. Antwoord: 0,33 mol

5. Voor de reactie 2 SO3 2 SO2 + O2 zijn bij een bepaalde T alle bestanddelen gasvormig en is Kc = 25.10-4 mol/l. In 10 l van het evenwichtsmengsel bevindt zich 0,20 mol SO2. a Bereken hoeveel mol SO3 het evenwichtsmengsel bevat. b Bereken de beginconcentratie aan SO3 in mol/l. Antwoord: a. 0,40 mol b. 0,060 mol/l

6.Een mengsel van 1,000 mol CO(g) en 1,000 mol H2O(g) wordt bij 800 °C in een vat van 10 liter gebracht. Bij evenwicht bevinden zich 0,665 mol CO2 en 0,665 mol H2 in het vat. Bereken Kc bij die temperatuur, het rendement en de evenwichtsconcentratie van de vier gassen. Antwoord: Kc = 3,94 = 66,5% [CO]e = [H2O]e = 0,0335 mol/l [CO2]e = [H2]e = 0,0665 mol/l

7. In een afgesloten ruimte van 2,0 liter breng je 18,4 g N2O4. Bij het verwarmen tot 50 °C wordt 50 % van het aantal moleculen N2O4 omgezet in NO2. a Bereken de evenwichtsconstante voor deze analysereactie. b Bereken wanneer we het oorspronkelijk volume halveren. Antwoord: a. Kc = 0,20 mol/l b. = 0,39

8. Gegeven: H2(g) + +I2(g) 2 HI(g). Als een mengsel van 46 g I2 en 1,0 g H2 tot 925K wordt verhit, bereikt het een evenwichtstoestand waarin 1,9 g I2 aanwezig is. a Bereken hoeveel mol van elk gas zich bevindt in het evenwichtsmengsel. b Bereken Kc. Antwoord: a. 0,33 mol waterstofgas - 0,0075 mol dijood - 0,35 mol waterstofjodide b. Kc = 49,5

9. Als men bij kamertemperatuur in een reactievat van 1 liter 2,0 mol ethanol mengt met 2,0 mol azijnzuur, krijgt men 1,3 mol ethylacetaat. a Bereken de evenwichtsconstante van de reactie: C2H5OH(vl) + CH3COOH(vl) CH3COOC2H5(vl) + H2O b Bereken hoeveel mol ethylacetaat men krijgt als men vertrekt van 2,0 mol ethanol en 3,0 mol azijnzuur? Antwoord: a. Kc = 3,45 b. 1,54 mol

10. Ketonen als aceton (CH3-CO-CH3) ondergaan vlot additiereacties. Zo ontstaat bij kamertemperatuur uit 0,100 mol aceton en 0,100 mol waterstofcyanide (HCN), beide opgelost in ethanol, een tamelijk grote opbrengst van een additieproduct (zie reactievergelijking). Het reactievolume is 100 ml en de Kc-waarde is 33,0 l/mol. a Bereken het rendement bij kamertemperatuur. b Door een temperatuursverandering verkrijgt men 6,375 g reactieproduct. In welke zin is de reactietemperatuur veranderd? Bereken de Kc-waarde en het rendement bij deze nieuwe temperatuur. Reactie: CN CH3-CO-CH3 + HCN CH3-C-CH3 + x kJ OH Antwoord: a. = 84 % b. verhoogd, Kc = 12,0 (mol/l)-1