H7: Evenwichten

• Scheikunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 4

H7: Duurzaamheid

→ 7.4 Evenwichten ←

7.5 Evenwichten beinvloeden

7.4 Evenwichten

Evenwichtsreacties

Concentratiebreuk

Evenwichtsvoorwaarde

Soorten chemische evenwichten

Rekenen aan evenwichten!

Leerdoelen

Je gaat het komende uur kennismaken met de volgende begrippen:

• Chemisch evenwicht
  
• Concentratiebreuk
• Evenwichtsvoorwaarde
• Homogene vs. heterogene evenwichten

Je gaat leren werken met:

• de "BOE-tabel"

Deze les

• Uitleg evenwichtsvoorwaarde
• Uitleg BOE-tabel

Herhaling: reactiesnelheid

Tot nu toe ken je misschien alleen aflopende reacties

Bijvoorbeeld de verbranding van aardgas:

De reactiesnelheid wordt beinvloed door 5 factoren:
1. temperatuur, 2. concentraties, 3. soort stof,
4. verdelingsgraad, 5. aan- of afwezigheid katalysator.

CH​4​​+2O​2​​→CO​2​​+2H​2​​O

Herhaling: reactiesnelheid

Deze 5 factoren gaan we nu wat nader bekijken.

1. Alle reacties gaan sneller als de temperatuur stijgt
Hoe? dat leer je eigenlijk pas op HBO/WO
(als je Scheikunde gaat studeren)

De reactiesnelheid wordt beinvloed door 5 factoren:
1. temperatuur, 2. concentraties, 3. soort stof,
4. verdelingsgraad, 5. aan- of afwezigheid katalysator.

Herhaling: reactiesnelheid

Deze 5 factoren gaan we nu wat nader bekijken.

2. Dit heeft te maken met het "botsende deeltjes"-model, dit gaan we zometeen uitwerken.

De reactiesnelheid wordt beinvloed door 5 factoren:
1. temperatuur, 2. concentraties, 3. soort stof,
4. verdelingsgraad, 5. aan- of afwezigheid katalysator.

Herhaling: reactiesnelheid

Deze 5 factoren gaan we nu wat nader bekijken.

3. Dit geeft een reactiesnelheidsconstante (k), die uniek is voor iedere reactievergelijking en combinatie van stoffen.

Dit ga je zometeen terugzien!

De reactiesnelheid wordt beïnvloed door 5 factoren:
1. temperatuur, 2. concentraties, 3. soort stof,
4. verdelingsgraad, 5. aan- of afwezigheid katalysator.

Herhaling: reactiesnelheid

Deze 5 factoren gaan we nu wat nader bekijken.

4. Vaste stoffen komen niet voor in beschouwingen van evenwichten. Gassen, vloeistoffen en opgeloste stoffen wel.

De reactiesnelheid wordt beïnvloed door 5 factoren:
1. temperatuur, 2. concentraties, 3. soort stof,
4. verdelingsgraad, 5. aan- of afwezigheid katalysator.

Herhaling: reactiesnelheid

Deze 5 factoren gaan we nu wat nader bekijken.

5. Deze factor versnelt de reactie direct
(zowel de heen- als teruggaande reactie)

De reactiesnelheid wordt beïnvloed door 5 factoren:
1. temperatuur, 2. concentraties, 3. soort stof,
4. verdelingsgraad, 5. aan- of afwezigheid katalysator.

Herhaling: reactiesnelheid

Tot nu toe ken je misschien alleen aflopende reacties

Bijvoorbeeld de verbranding van aardgas:

Anders geschreven wordt dit

Waarom deze manier van schrijven? Om duidelijk te maken dat de reactiesnelheid anders afhangt van de concentratie zuurstof dan van die van methaan! (Volgende slide = quizvraagje)

CH​4​​+2O​2​​→CO​2​​+2H​2​​O

CH​4​​+O​2​​+O​2​​→CO​2​​+H​2​​O+H​2​​O

Stel dat iedere CH4 per seconde 1/100 kans heeft om een O2 tegen te komen, hoeveel kans heeft hij dan om er 2 in 1 seconde tegen te komen?
(Want hij moet er 2 tegenkomen voor een reactie!)

1. 1/100
2. 1/10
3. 1/1000
4. 1/10000

Herhaling: reactiesnelheid

1/10000, want je moet de kansen van onafhankelijke gebeurtenissen altijd vermenigvuldigen.
1/100 * 1/100 = 1/10000
(zoek in je wiskundeboek naar de "productregel")

CH​4​​+O​2​​+O​2​​→CO​2​​+H​2​​O+H​2​​O

Herhaling: reactiesnelheid

Als je de concentratie van CH₄ 10x doet, krijg je 10x de reactiesnelheid (botsingskans gaat van 0,01 naar 0,1 per seconde)

Als je de concentratie van O₂ 10x doet....

gaat de botsingskans van 0,01*0,01 = 0,0001 naar 0,1*0,1 = 0,01

dus krijg je 100x de reactiesnelheid, omdat O2 2x in de reactievergelijking voorkomt.

CH​4​​+O​2​​+O​2​​→CO​2​​+H​2​​O+H​2​​O

Herhaling: reactiesnelheid

In formules:

In woorden:

 "de reactiesnelheid (het aantal reacties per seconde) is gelijk aan de reactiesnelheids-constante (het aantal reacties per molecuul per seconde) maal de molariteit van methaan maal de molariteit van zuurstof in het kwadraat"

CH​4​​+O​2​​+O​2​​→CO​2​​+H​2​​O+H​2​​O

s​→​​=k​→​​⋅[CH​4​​]⋅[O​2​​]​2​​

Het chemisch evenwicht

Het Chemisch Evenwicht

Bijvoorbeeld: de evenwichtsreactie tussen NO2 en N2O4

Rekenen met aan een evenwicht:

de concentratiebreuk (Q) & evenwichtsconstante (K)

Als het evenwicht is ingesteld verandert de evenwichtsconstante K niet meer

Evenwichtsvoorwaarde

• Alleen gassen, vloeistoffen en oplossingen kunnen een "molariteit" hebben, dus alleen deze komen in de concentratiebreuk voor. 
• Vaste stoffen moet je weglaten!

Binas 37B

Evenwichtsconstante (K)

• Afhankelijk van temperatuur.
• Binas 51 geeft een aantal evenwichtsconstanten bij verschillende temperaturen.
• Een grote K betekent dat het evenwicht sterk rechts ligt: concentraties van producten zijn hoger dan van de beginstoffen.

Binas 37B + 51

In het volgende filmpje wordt het opstellen van de evenwichtsvoorwaarde nog eens uitgelegd.

Even oefenen

Maak opgaven 9 en 10 in je boek.

Rekenen 

aan

evenwichten

"Echte" evenwichten

NO​2​​(g)⇆N​2​​O​4​​(g)

CuCl​2​​(aq)⇆CuCl​+​​(aq)⇆Cu​2+​​(aq)

B5: Chemisch evenwicht

Evenwicht reactie:

Evenwichtsvoorwaarde - Combinatie van evenwichtsconstante en concentratiebeuk; als de concentratiebreuk gelijk is aan de evenwichtsconstante is er sprake van evenwicht.

Evenwichtsconstante - Waarde (K) van de evenwichtsvoorwaarde.

Rekenen aan chemische evenwichten met K

• Evenwichtsvoorwaarde voor de reactievergelijking.
• Je kan nu de waarden bij t_ev invullen in de breuk

	[H 2 O]	[CO]	[H 2 ]	[CO 2 ]
t 0	0,50	0,50	0	0
omg.	-x	-x	+x	+x
t ev	0,50-x	0,50-x	x	x

Rekenen aan evenwichten

Als je stikstofdioxide in een reactievat injecteert, vindt er een evenwichtsreactie plaats met als product distikstoftetraoxide.  Als ik 1 mol stikstofdioxide in een vat van 1 liter injecteer, welk evenwicht stelt zich dan in? 

Begin met de kloppende (!) reactievergelijking:

2NO​2​​⇌N​2​​O​4​​

Rekenen aan evenwichten

Als ik NO2 in een leeg reactievat injecteer, zodat de concentratie 1,00 M is, welk evenwicht stelt zich dan in als de evenwichtsconstant K=0,060? 

Vul daarna de getallen in die je direct uit de vraag kunt halen:

	[NO2]	[N2O4]
Begin	1,00	0
Omgezet
Evenwicht

2NO​2​​⇌N​2​​O​4​​

Rekenen aan evenwichten

Als ik NO2 in een leeg reactievat injecteer, zodat de concentratie 1,00 M is, welk evenwicht stelt zich dan in als de evenwichtsconstant K=0,060? 

Voeg daarna de reactieverhoudingen (molverhoudingen) toe (coëfficiënten van de reactievergelijking)

	[NO2]	[N2O4]
Begin	1,00	0
Omgezet	-2x	+x
Evenwicht

2NO​2​​⇌N​2​​O​4​​

Rekenen aan evenwichten

Als ik NO2 in een leeg reactievat injecteer, zodat de concentratie 1,00 M is, welk evenwicht stelt zich dan in als de evenwichtsconstant K=0,060? 

Dan kun je daarna de evenwichtstoestand definiëren in termen van 1 onbekende (de "x")

	[NO2]	[N2O4]
Begin	1,00	0
Omgezet	-2x	+x
Evenwicht	1,00-2x	x

2NO​2​​⇌N​2​​O​4​​

Rekenen aan evenwichten

Als ik NO2 in een leeg reactievat injecteer, zodat de concentratie 1,00 M is, welk evenwicht stelt zich dan in als de evenwichtsconstant K=0,060? 

Stel vervolgens de evenwichtsvoorwaarde op ("rechts gedeeld door links"):

	[NO2]	[N2O4]
Begin	1,00	0
Omgezet	-2x	+x
Evenwicht	1,00-2x	x

2NO​2​​⇌N​2​​O​4​​

K=​[NO​2​​]​2​​​​[N​2​​O​4​​]​​

Rekenen aan evenwichten

Als ik NO2 in een leeg reactievat injecteer, zodat de concentratie 1,00 M is, welk evenwicht stelt zich dan in als de evenwichtsconstant K=0,060? 

Invullen en uitrekenen!

	[NO2]	[N2O4]
Begin	1,00	0
Omgezet	-2x	+x
Evenwicht	1,00-2x	x

2NO​2​​⇌N​2​​O​4​​

K=​[NO​2​​]​2​​​​[N​2​​O​4​​]​​

0,060=​(1,00−2x)​2​​​​x​​

Intermezzo:
Oplossen van een kwadratische vergelijking

0,060=​(1,00−2x)​2​​​​x​​

0,060⋅(1,00−2x)​2​​=x

0,120⋅x​2​​+x−0,060=0

x​1,2​​=​2a​​−b±√​b​2​​−4ac​​​​​

De abc-formule:

x​1,2​​=​2⋅0,120​​−1±√​1​2​​−4⋅0,120⋅−0,060​​​​​=0,0596

Rekenen aan evenwichten

Als ik NO2 in een leeg reactievat injecteer, zodat de concentratie 1,00 M is, welk evenwicht stelt zich dan in als de evenwichtsconstant K=0,060? 

x Invullen!

	[NO2]	[N2O4]
Begin	1,00	0
Omgezet	-2x	+x
Evenwicht	0,881	0,0596

2NO​2​​⇌N​2​​O​4​​

K=​[NO​2​​]​2​​​​[N​2​​O​4​​]​​

0,060=​(1,00−2x)​2​​​​x​​

x=0,0596

Je spuit 1,00 mol ammoniak in een reactievat van 1 L onder vacuüm bij T=500K. De ammoniak gaat ontleden in waterstof en stikstof; dit is een evenwichtsreactie. Na een tijdje (ca. 50 minuten) heeft zich een evenwicht ingesteld.
Geef de concentraties van alle aanwezige stoffen in het reactievat in het evenwicht en maak een schets van het verloop van de reactie in de tijd. Geef duidelijk de insteltijd aan!

In het volgende filmpje wordt het rekenen met de BOE tabel nog eens uitgelegd.

Even oefenen

Maak opgaven 11, 13, 14 in je boek.