Chemisch evenwicht - Les 5

• Scheikunde
• Middelbare school
• havo, vwo
• Leerjaar 4

Chemisch evenwicht - Les 3

Antwoord

Niels: Het klopt dat het evenwicht verschuift, maar naar de endotherm kant. En je kan een evenwichtsreactie ook andersom opschrijven.

Jerome: Als het volume wordt verkleind, stijgen de concentraties. Dan zal de concentratiebreuk dus ook veranderen.

Nynke: Door het toevoegen van een stof die niet meedoet in de reactie verandert de concentratie niet. Het evenwicht wordt dus niet verstoord.

Jetse: Als de druk wordt verhoogd door comprimeren zal het evenwicht worden verstoord, door het toevoegen van een andere stof niet (tenzij het een van de stoffen in de reactie is).

Voor deze les

•  6.5 gelezen
• Lijstje van de begrippen van deze les gemaakt.

Leerdoelen

• Je kunt aan de hand van een evenwichtsreactie de gevolgen van een verandering in het systeem uitleggen.
• Je kunt uitleggen wat de veranderingen in de temperatuur voor gevolgen hebben voor een evenwicht.
• Je kunt uitleggen aan de hand van de endotherme en exotherme reactie in een evenwichtsreactie de gevolgen een temperatuursverandering verklaren.

Bij een reactie is 25% van de beginstof omgezet. Plaats de juiste getallen in de laatste regel van het BOE-schema.

B        5,00        3,00        0          

O

E

A​2​​+2 B⇆2 AB

2,50

1,25

3,75

0,50

1,00

0,75

Bij een reactie is 40% van de beginstof omgezet. Plaats de juiste getallen in de laatste regel van het BOE-schema.

B        5,00      5,00        0          

O

E

2 A+B​2​​⇆2 AB

3,00

2,00

5,00

2,50

1,00

4,00

Noteer de evenwichtsvoorwaarde van de volgende reactie:

Fe​3+​​(aq)+SCN​−​​(aq)⇆FeSCN​2+​​(aq)

Antwoord

K=​[Fe​3+​​][SCN​−​​]​​[FeSCN​2+​​]​​

Evenwichtsvoorwaarde

Evenwicht verstoren

Als een chemisch evenwicht is bereikt kan het op verschillende manieren worden verstoord:

• De concentratie van één van de reagerende stoffen verandert.
• De temperatuur verandert.
• Een evenwichtsmengsel wordt verdund.
• Een evenwichtsmengsel wordt gecomprimeerd.

Hoe kun je het
evenwicht verstoren?

Evenwichtsvoorwaarde

Verandering: concentratie

Als je extra stof toevoegt is een evenwicht verstoort. Met behulp van de evenwichtsconstante kun je dan kijken op welke manier het evenwicht kan worden herstelt. Neem het evenwicht:

       2 NO₂ (g) ⇌ N₂O₄ (g)

De evenwichtsvoorwaarde is dan:

Kijk welk effect de aanpassing heeft op Q en daarmee kun je uitleggen welk effect de aanpassing heeft.

K=​[NO​2​​]​2​​​​[N​2​​O​4​​]​​

Door het toevoegen van NO2
zal voor Q gelden?

K=​[NO​2​​]​2​​​​[N​2​​O​4​​]​​

K=​[NO​2​​]​2​​​​[N​2​​O​4​​]​​

K=​[NO​2​​]​2​​​​[N​2​​O​4​​]​​

K=​[N​2​​O​4​​]​​[NO​2​​]​2​​​​

1. Q>K
2. Q=K
3. Q<K
4. dat kun je niet zeggen

Antwoord

Als je extra NO2 toevoegt zal de waarde boven de deelstreep groter worden. Dat zorgt dat de hele deling groter wordt.

Dus Q > K.

K=​[N​2​​O​4​​]​​[NO​2​​]​2​​​​

Rekenen aan evenwichten

Verandering: temperatuur

Als je keukenzout toevoegt aan een bekerglas water zal dit oplossen. Als meer keukenzout wordt toegevoegd zal op zeker moment de oplossing verzadigt raken en zal er geen extra zout meer kunnen oplossen. Dit is te verklaren met de reactievergelijking van het evenwicht en de evenwichtsverhouding:

 NaCl (s) ⇌ Na⁺ (aq) + Cl^- (aq)

 K_s = [Na⁺][Cl^-]

Bij een bepaalde concentratie van de natriumchloride-oplossing zal het vaste zout een evenwicht vormen met de ionen in de oplossing. Het toevoegen van extra keukenzout zal niet leiden tot extra ionen in de oplossing. Het extra keukenzout zal op de bodem van het bekerglas komen te liggen.

Het zout ligt op de bodem.
Leg op zowel macro- als microniveau uit wat er nu gebeurd.

Antwoord

Er lijkt niets meer te gebeuren, want het zout blijft liggen. Op macroniveau is niet meer waar te nemen dat er reacties plaatsvinden. Op microniveau blijven er natrium- en chloride-ionen oplossen en in hetzelfde tempo weer neerslaan.

Het zout ligt op de bodem.

Hoe kunnen we nu zorgen dat het keukenzout alsnog
allemaal oplost in deze hoeveelheid water?

Antwoord

Door de oplossing te verwarmen zal het zout oplossen.

Verwarmen van de oplossing zorgt dat het natriumchloride dat op de bodem ligt oplost.
Nu blijft de evenwichtsvoorwaarde:

Ks = [Na+][Cl-]

Wat zal er moeten veranderen als de concentraties van de
natrium- en chloride-ionen hoger kunnen worden?

Evenwichtsvoorwaarde

Verandering: volume

Als je het volume verandert (bij oplossingen verdunnen en bij gasmengsels comprimeren of expanderen), zal ook de concentratie van de stoffen veranderen.

Neem de reactie:

2 NO₂ (g) ⇌ N₂O₄ (g)

De evenwichtsvoorwaarde is dan:

Als het volume halveert, zullen de concentraties 2x zo groot worden. In dit geval zal Q = 2 x K zijn. De reactie moet dus naar rechts verschuiven om het evenwicht te herstellen.  

K=​[NO​2​​]​2​​​​[N​2​​O​4​​]​​

Naar welke kant zal het evenwicht verschuiven als je dit systeem expandeert tot het dubbele volume?

A​2​​+2 B⟷2 AB

1. naar links
2. naar rechts
3. geen verschuiving
4. dat kun je niet zeggen

Als een chemisch evenwicht in de gasfase comprimeert verschuift het evenwicht naar...

1. de kant met de meeste gasmoleculen
2. de kant met de minste gasmoleculen

Energie uit koffie 

Over het winnen van energie uit biomassa  is nog veel discussie. Vooral de energiedichtheid van biomassa laat volgens tegenstanders te wensen over. Voor de regering van Costa Rica is biomassa echter een uitkomst voor een groot probleem: het afval van de koffieproductie.

Costa Rica is één van de grotere producenten van koffie in de wereld. De koffieplantages nemen ruim 90.000 ha in beslag en produceren per jaar meer dan 450 kiloton aan koffie. Dat levert wel nog eens 43,5 % van deze massa aan restmateriaal op.  Als het restmateriaal op natuurlijke wijze vergaat levert dat  60 kiloton aan CO₂ op.

Aan de Universiteit van Costa Rica hebben ze daarom een onderzoek gedaan om energie te winnen uit het restmateriaal. 

Energie uit koffie 

Over het winnen van energie uit biomassa  is nog veel discussie. Vooral de energiedichtheid van biomassa laat volgens tegenstanders te wensen over. Voor de regering van Costa Rica is biomassa echter een uitkomst voor een groot probleem: het afval van de koffieproductie.

Costa Rica is één van de grotere producenten van koffie in de wereld. De koffieplantages nemen ruim 90.000 ha in beslag en produceren per jaar meer dan 450 kiloton aan koffie. Dat levert wel nog eens 43,5 % van deze massa aan restmateriaal op.  Als het restmateriaal op natuurlijke wijze vergaat levert dat  60 kiloton aan CO₂ op.

Aan de Universiteit van Costa Rica hebben ze daarom een onderzoek gedaan om energie te winnen uit het restmateriaal. 

Uiteindelijk kwamen ze met een systeem van drie units om een proces  te laten lopen. Daarbij treden zowel in Unit II als in Unit III evenwichtsreacties op.

Over deze reacties gaan de komende opdrachten.

Energie uit koffie

Hoe zal het verhogen van de druk in Unit III van invloed zijn op de evenwichtsreactie:

CO​2​​ (g)+4 H​2​​(g)⇆CH​4​​ (g)+2 H​2​​O (g)

1. het evenwicht verschuift naar links
2. het evenwicht verschuift naar rechts
3. het evenwicht verschuift niet
4. dat kun je niet zeggen

Noteer de evenwichtsvoorwaarde voor deze reactie uit Unit II:

Biochar+0,97 CO​2​​⟷1,97 CO+0,097 H​2​​O

Antwoord

De Biochar is een vaste stof en staat niet in de evenwichtsvoorwaarde. Vreemde getallen maakt niet uit, als macht noteren zoals bij gehele getallen.

K=​[CO​2​​]​0,97​​​​[CO]​1,97​​[H​2​​O]​0,097​​​​

Als je kijkt naar de reacties in Unit II,
wat is daar dan opvallend aan?

Antwoord

De drie reacties zijn opvolgend aan elkaar. Een aanpassing in de reactor zal dus effect hebben op alle drie de evenwichtsreacties.

Leerdoelen

• Je kunt aan de hand van een evenwichtsreactie de gevolgen van een verandering in het systeem uitleggen.
  
• Je kunt uitleggen wat de veranderingen in de temperatuur voor gevolgen hebben voor een evenwicht.
  
• Je kunt uitleggen aan de hand van de endotherme en exotherme reactie in een evenwichtsreactie de gevolgen een temperatuursverandering verklaren.

In frisdrank heerst de onderstaande evenwichtsreactie. Leg uit wat er met dit evenwicht gebeurd als de fles frisdrank wordt na inschenken wordt dichtgedraaid.

CO​2​​(g)+H​2​​O(l)⟷H​2​​CO​3​​(aq)

Antwoord

Als de fles wordt dichtgedraaid zal het evenwicht zich weer herstellen en zal het evenwicht naar links verschuiven.

Leg uit hoe het evenwicht verschuift als de temperatuur stijgt bij deze reactie:

N​2​​(g)+3 H​2​​(g)⟷2 NH​3​​(g)

N​2​​(g)+3 H​2​​(g)⇆2 NH​3​​(g)

Antwoord

In Binas tabel 51 is te zien dat de evenwichtsconstante kleiner wordt. Dan verschuift het evenwicht naar links, omdat in evenwichtsvergelijking de componenten onder de deelstreep dan groter worden.

K=​[N​2​​][H​2​​]​3​​​​[NH​3​​]​2​​​​

Welke reactie is exotherm?

N​2​​(g)+3 H​2​​(g)⇆2 NH​3​​(g)

1. naar links
2. naar rechts

Naar welke kant verschuift het evenwicht als je het volume van het reactivat verdubbeld?

N​2​​(g)+3 H​2​​(g)⇆2 NH​3​​(g)

1. naar links
2. naar rechts
3. het evenwicht blijft zoals het is
4. dat kun je niet weten

Stel 1 vraag over een onderdeel dat je niet helemaal hebt begrepen.

Voor de volgende les

• LEREN: Hoofdstuk 6
• MAKEN: Opgaven 45, 46 en 47

Rekenen aan evenwichten

Evenwichtsconstante is afhankelijk van ... 

Verwarmen van de oplossing zorgt dat het natriumchloride dat op de bodem ligt oplost. Nu blijft de evenwichtsvoorwaarde:

 K_s = [Na⁺][Cl^-]

Als de concentraties hoger kunnen worden dan betekent dat de evenwichtsconstante moet veranderen. De evenwichtsconstante is dan ook afhankelijk van de temperatuur. 

In dit specifieke geval zal de evenwichtsconstante groter worden bij een stijging van de temperatuur, maar bij een andere evenwichtsreactie kan dit ook een daling zijn.

Welke reactie is exotherm?

H​2​​(g)+Cl​2​​(g)⇆2 HCl(g)

1. naar links
2. naar rechts

Naar welke kant verschuift het evenwicht als je het volume van het reactivat halveerd?

H​2​​(g)+Cl​2​​(g)⇆2 HCl(g)

1. naar links
2. naar rechts
3. het evenwicht blijft zoals het is
4. dat kun je niet weten

Katalysator bij evenwicht

Bij een aflopende reactie is de katalysator verantwoordelijk voor het verlagen van de activeringsenergie van de reactie. Omdat de activeringsenergie lager is kan de reactie makkelijk verlopen en gaat de reactie sneller.

Bij een evenwichtsreactie zorgt een katalysator dat de insteltijd van de reactie korter wordt. Het evenwicht is eerder bereikt.

Waarin verandert het evenwicht wanneer je een katalysator toevoegt?

1. Nergens in.
2. De concentratie van reactieproducten worden groter.
3. De concentratie van de beginstoffen worden groter.
4. Het evenwicht wordt eerder gevormd.

Leg uit hoe een katalysator het rendement van een chemisch proces met een evenwicht kan verbeteren.

Antwoord

De katalysator verhoogt het rendement doordat de deeltjes sneller reageren en daarmee het chemisch evenwicht eerder wordt bereikt.

De katalysator verandert niet de ligging van het evenwicht, het is alleen de instelsnelheid die wordt beïnvloed.