3.3. Keemiline tasakaal ja selle nihkumine

Millal saabub tasakaal

Eelmises osas nägime, et pöörduvad reaktsioonid võivad kulgeda mõlemas suunas. Võtame seekord vaatluse alla ühe hüpoteetilise reaktsiooni

A+B  C+D.

Kui lähteained A ja B segada, siis hakkab reaktsioon toimuma kiirusega  v_otse. Koolis sa reaktsiooni kiiruse võrrandit ei õpi, aga selguse mõttes toome selle siin ära. Reaktsiooni kiirust saab arvutada järgmise võrrandi abil:

v_otse = k_otse × c_A ×  c_B

kus [A] ja [B] on lähteainete kontsentratsioonid ja  k_otse on otsereaktsiooni kiiruskonstant. Kuna lähteainete kontsentratsioonid reaktsiooni käigus vähenevad, siis peab järelikult vähenema ka otsereaktsiooni kiirus.

Reaktsioon on tasakaaluolekus siis, kui otse- ja pöördreaktsiooni kiirused on võrdsed. 
   v_otse = v_pöörd

Kuna saadusi tekib järjest juurde, siis hakkab toimuma ka pöördreaktsioon kiirusega v_pöörd.  Pöördreaktsiooni kiiruse saame avaldada:

v_pöörd = k_pöörd ×  c_C × c_D

Pöördreaktsioon on alguses aeglane, sest saadusi on vähe, kuid aja jooksul pöördreaktsiooni kiirus järjest kasvab, kuni saab võrdseks otsereaktsiooni kiirusega:

v_otse  = v_pöörd

ning reaktsioon on saavutanud tasakaaluoleku.

Kui tasakaal on saabunud, kas siis reaktsioon enam ei toimu

Kui tasakaaluolek on saabunud, siis lähteainete ja saaduste kontsentratsioonid enam ei muutu. Äsja kirjutasime võrduse juhuks, kui otse- ja pöördreaktsiooni kiirused on võrdsed. Kuna need kiirused kumbki ei ole nullid, siis peavad reaktsioonid mõlemas suunas edasi toimuma. Sellist nähtust nimetatakse dünaamiliseks tasakaaluks.

Kas tasakaaluolekut saab millegagi mõjutada

Nüüd vaatame, kuidas reaktsiooni tasakaalu mõjutada, näiteks et saada tasakaalulisest reaktsioonist rohkem saadusi.

Allikas: https://youtu.be/RqpanAUUDNw

Kontsentratsiooni mõju

Kui lisada lähteaineid, siis nihkub tasakaal saaduste suunas, sest tasakaalukonstant ei muutu.

Vaatame üldist reaktsiooni A+B C+D.

Kui tasakaalulisele süsteemile lisada ühte (või mõlemat) lähteainet (A-d ja või B-d), siis otsesuunalise reaktsiooni kiirus kasvab ning süsteem ei ole enam tasakaaluolekus. Reaktsiooni käigus hakkavad A ja B kontsentratsioonid vähenema ning C ja D kontsentratsioonid suurenema: reaktsioon toimub pärisuunas edasi, kuni saabub taas tasakaal ehk otse- ja pöördprotsessi kiirused võrdsustuvad. Samuti kui eemaldada reaktsiooni saadusi (C-d ja või D-d) tekib eelnimetatuga analoogne olukord ning otsesuunalise reaktsiooni kiirus kasvab ja tasakaaluolek lõppeb.

Rõhu mõju

Kui rõhku suurendada, siis nihkub reaktsioon selles tekke suunas, kus on vähem gaasimolekule.

Rõhu muutus mõjutab selliseid reaktsioone, milles gaasi moolide arv muutub. Kui reaktsioonisegu

N₂O₄(g) 2NO₂(g)

rõhku suurendada, siis nihkub tasakaal N₂O₄ tekke suunas, mille tulemusena hakkab gaasisegu rõhk vähenema, sest reaktsioonivõrrandi vasakul pool on vähem gaasimolekule.

Temperatuuri mõju

Temperatuuri mõju hindamiseks vaata allolevat joonist ja püüa selgitada, kas reaktsioon N₂O₄ 2NO₂ on endo- või eksotermiline? Vasakul on ampull gaasiseguga paigutatud jäässe, keskel on jää ja vee segus (st null kraadi juures) ja paremal on ampull toatemperatuuril.

Joonis 1. N₂O₄ ⇄ 2NO₂ reaktsioon erinevatel temperatuuridel. A) reaktsioonisegu on asetatud kuivajäässe, B) reaktsioonisegu on 0 ^oC juures, C) reaktsioonisegu on toatemperatuuril. Allikas: https://www.unf.edu/~michael.lufaso/chem2046/2046chapter15.pdf

Endotermilise reaktsiooni tasakaalukonstant suureneb, kui temperatuuri tõsta.

Kui temperatuuri tõsta, siis reaktsiooni tasakaal nihkub paremale ehk saaduste suunas. Järelikult on see reaktsioon endotermiline.

Võib-olla on temperatuuri mõjust kergem aru saada, kui reaktsioon kirjutada tavapärasest veidi erinevalt, arvestades, et endotermiline ΔH > 0 reaktsioon tarbib soojust:

N₂O₄  (soojus) 2NO₂                                           

Le Chatelier’ printsiip: kui mingi välismõju (temperatuuri, kontsentratsiooni või rõhu muutmine) rikub keemilist tasakaalu, siis kulgeb selle mõju tagajärgi vähendav reaktsioon, mis viib süsteemi üle uude tasakaaluolekusse.

Kui temperatuuri tõstame, siis lisame reaktsioonisegusse soojust juurde ja endotermiline reaktsioon nihkub saaduse suunas ehk NO₂ tekke suunas.

Tavaliselt lisatakse vajadusel viide soojusefektile selliselt:

 N₂O₄  2NO₂  ΔH > 0

Eksotermilises reaktsioonis soojus eraldub (soojus on saaduste hulgas). Kui tõsta eksotermilise reaktsiooni temperatuuri, siis nihkub tasakaal lähteaine tekke suunas.

Kõik need nähtused võtab kokku Le Chatelier’ printsiip: Kui mingi välismõju (temperatuuri, kontsentratsiooni või rõhu muutmine) rikub keemilist tasakaalu, siis kulgeb selle mõju tagajärgi vähendav reaktsioon, mis viib süsteemi üle uude tasakaaluolekusse.

Kui pärisuunaline reaktsioon on eksotermiline (ΔH < 0, reaktsiooni toimumisel soojust eraldub ja ümbritseva keskkonna temperatuur kasvab), siis vastassuunaline reaktsioon on endotermiline (ΔH > 0, reaktsiooni toimumisel soojust neeldub ja ümbritseva keskkonna temperatuur väheneb). Kui eksotermilise reaktsiooni korral tõstetakse temperatuuri, siis reaktsioon nihkub just endotermilise reaktsiooni ehk lähteainete tekkimise suunas, sest endotermilise reaktsiooni käigus temperatuur langeb. Ehk siis vastavalt Le Chatelier’ printsiibile nihkub tasakaal nii, et välismõju oleks väikseim.

Kas katalüsaator mõjutab tasakaalu

Katalüsaator kiirendab reaktsiooni, kuid ei muuda reaktsiooni tasakaaluolekut.

Katalüsaatori manulusel toimub reaktsioon sellist teed pidi, kus reaktsiooni aktivatsioonienergia on madalam. Reaktsioon saavutab tasakaaluoleku kiiremini, alaneb nii otse- kui ka pöördreaktsiooni aktivatsioonienergia barjäär ning tasakaal ei muutu, sest lähte- ja lõppolek jäävad samaks.