Teksti

3.2 Tasapainoseosen koostumuksen ratkaisemien

Esim. Mikä kloorikaasun konsentraatio tasapainoseoksessa, kun 2,00 litran astiaan johdetaan 1,00 moolia fosforipentakloridia ja kuumennetaaan se 250°C:n läpötilaan? Reaktion tasapainovakio tässä lämötilassa on 0,041 mol/dm³

Reaktioyhtälö on

$PCl_5\left(g\right)\xrightleftharpoons[]{}PCl_3\left(g\right)+Cl_2\left(g\right)$

$c_{alku}\left(PCl_5\right)=\frac{1{,}00\ mol}{2{,}00\ l}=0{,}500\ \frac{mol}{l}$

$PCl_5\left(g\right)\xrightleftharpoons[]{}PCl_3\left(g\right)+Cl_2\left(g\right)$
$\begin{array}{l|l} c_{alku}\left(\frac{mol}{l}\right)&0{,}500&0&0\\ \hline muutos&-x&+x&+x\\ c_{tasap.}\left(\frac{mol}{l}\right)&0{,}500-x&x&x \end{array}$

$K_c=\frac{\left[PCl_3\right]\left[Cl_2\right]}{\left[PCl_5\right]}=\frac{x^2}{0{,}500-x}=0{,}041$
$x^2+0{,}041x-0{,}0205=0$

$x=-0{,}01651...\ tai\ x=0{,}1241...$

Tasapainotilassa

$\left[Cl_2\right]=0{,}1241...\ \frac{mol}{l}\approx0{,}12\ \frac{mol}{l}$

Esim. Typpi ja happi reagoivat keskenään muodostaen typpimonoksidia. 2,0 litran astiassa oli tasapainotilassa 1,0 mol typpeä, 1,0 mol happea ja 2,0 mol typpimonoksidia.

$N_2\left(g\right)+O_2\left(g\right)\xrightleftharpoons[]{}2NO\left(g\right)$

a) Laske reaktion tasapainovakio

$\left[N_2\right]=\frac{1{,}00\ mol\ }{2{,}0\ l}=0{,}50\ \frac{mol}{l}$
$\left[O_2\right]=0{,}50\ \frac{mol}{l}$
$\left[NO\right]=\frac{2{,}0mol}{2{,}0l}=1{,}0\ \frac{mol}{l}$
$K_c=\frac{\left[NO\right]^2}{\left[N_2\right]\left[O_2\right]}=\frac{\left(1{,}0\ \frac{mol}{l}\right)^2}{0{,}5\ \frac{mol}{l}\cdot0{,}5\ \frac{mol}{l}}=4{,}0$

b)Toisessa, samassa lämpötilassa tehdyssä kokeessa 1,0 litran astiaan laitettiin 2,0 mol typpimonoksidia. Laske eri kaasujen ainemäärät, kun tasapaino saavutettiin.
$c_{alku}\left(NO\right)=2{,}0\ \frac{mol}{l}$

$N_2\left(g\right)+O_2\left(g\right)\xrightleftharpoons[]{}2NO\left(g\right)$

$\begin{array}{l|l} c_{alku}\left(\frac{mol}{l}\right)&0&0&2{,}0\\ \hline muutos&+x&+x&-2x\\ c_{tasap.}\left(\frac{mol}{l}\right)&x&x&2{,}0-2x \end{array}$

$K_c=\frac{\left(2{,}0-2x\right)^2}{x^2}=4{,}0$

$4-8x+4x^2=4x^2$
$8x=4$
$x=0{,}5$

Koska astian tilauus on 1,0 l, tasapainotilassa:

$n\left(N_2\right)=n\left(O_2\right)=0{,}5\ mol$

$n\left(NO\right)=\left(2{,}0-2\cdot0{,}5\right)mol=1{,}0\ mol$

3.17

$K_c=\frac{\left[H_2\right]\left[CO_2\right]}{\left[H_2O\right]\left[CO\right]}=2{,}0$

$H_2O\left(g\right)+CO\left(g\right)\xrightleftharpoons[]{}H_2\left(g\right)+CO_2\left(g\right)$
$\begin{array}{l|l} c_{alku}\left(\frac{mol}{l}\right)&0&0&2{,}0&\\ \hline muutos&+x&+x&-x&-x\\ c_{tasap}\left(\frac{mol}{l}\right)&&&& \end{array}$

3.18

3.19

3.20

a,b)

$CH_3COOH+CH_3OH\left(aq\right)\xrightleftharpoons[]{}CH_3COOCH_3\left(aq\right)+H_2O\left(g\right)$

$\begin{array}{l|l} c_{alku}\left(\frac{mol}{l}\right)&\frac{1{,}0}{V}&\frac{1{,}0}{V}&0&0\\ \hline muutos&-\frac{x}{v}&-\frac{x}{v}&+\frac{x}{v}&+\frac{x}{v}\\ c_{tasap.}\left(\frac{mol}{l}\right)&\frac{1{,}0-x}{v}&\frac{1{,}0-x}{v}&\frac{x}{v}&\frac{x}{v} \end{array}$

$K_c=\frac{\left[CH_3COOCH_3\right]\left[H_2O\right]}{\left[CH_3COOCH\right]\left[CH_3OH\right]}=\frac{\left(\frac{x}{v}\right)^2}{\left(\frac{1{,}0-x}{v}\right)}=\frac{x^2}{\left(1{,}0-x\right)^2}=4{,}0$

$x=2{,}0\ tai\ x=0{,}666...\approx0{,}67$

$n\left(CH_3COOCH_3\right)=0{,}67\ mol$

c) Veden poistaminen parantaa esterin saantoa. Veden poistaminen (reaktiotuote) siirtää tasapainoa reaktiotuotteiden suuntaan.

d) Etaanihapo metyyliesteri tai metyylietanaalli tai metyyliasetaatti.

3.24

$CH_3\left(CH_2\right)_3OH\left(l\right)+CH_3\left(CH_2\right)_2COOH\left(l\right)\xrightleftharpoons[]{}CH_3\left(CH_2\right)_3OOC\left(CH_2\right)_2CH_3\left(l\right)+H_2O\left(l\right)$

$\begin{array}{l|l} c_{alku}\left(\frac{mol}{l}\right)&2{,}50&0{,}200&1{,}50&1{,}00\\ \hline muutos&-x&-x&+x&+x\\ c_{tasap.}\left(\frac{mol}{l}\right)&2{,}50-x&0{,}200-x&1{,}50+x&1{,}00+x \end{array}$

$K_c=\frac{\left[CH_3\left(CH_2\right)_3OOC\left(CH_2\right)_2CH_3\right]\left[H_2O\right]}{\left[CH_3\left(CH_2\right)_3OH\right]\left[CH_3\left(CH_2\right)_2COOH\right]}\rightarrow9{,}00=\frac{\left(1{,}50+x\right)\left(1{,}00+x\right)}{\left(2{,}50-x\right)\left(0{,}200-x\right)}$

$x_1=2{,}2340$
$x_2=0{,}11595$

Näistä vain jälkimmäinen on järkevä, sillä lähtöaineita on enimmillään 2,50 mol/l

$\left[CH_3\left(CH_2\right)_3OOC\left(CH_2\right)_2CH_3\right]_{uusi}=\left(1{,}50+0{,}11595\right)\ \frac{mol}{l}=1{,}6160\ \frac{mol}{l}\approx1{,}62\ \frac{mol}{l}$

3.26

$2SO_2\left(g\right)+O_2\left(g\right)\xrightleftharpoons[]{}2SO_3\left(g\right)$

$\begin{array}{l|l} p_i\left(alku\right)\left(bar\right)&2{,}3&4{,}5+x&2{,}3\\ \hline muutos\left(bar\right)&-0{,}2&-0{,}1&+0{,}2\\ p_i\left(tasap.\right)\left(bar\right)&2{,}1&4{,}4+x&2{,}5 \end{array}$

Taulukkokirjassa ilmoitettujen muodostumislämpöjen $\Delta H_f$ perusteella mudostumisreaktio on eksotermien MAOL s.149

Lasku:

$\Delta H_{reaktio}=\Sigma\Delta H_f\left(reaktiotuotteet\right)-\Sigma\Delta H_f\left(lähtöaineet\right)$

$=\left[2mol\left(-3{,}95{,}2\ \frac{kJ}{mol}\right)\right]-\left[2mol\left(-296{,}9\ \frac{kJ}{mol}\right)\right]+\left[0\ \frac{kJ}{mol}\right]=-196{,}6kJ$

$2SO_2\left(g\right)+O_2\left(g\right)\xrightleftharpoons[]{}2SO_3\left(g\right)\ \Delta H<0$

Tämä perusteella rikkitrioksidin osapainetta voisi kasvattaa alentamalla lämpötilaa, jolloin reaktion tasapainotila siirtyy rikkitrioksidin suuntaan, Myös rikkidioksidin osapaineen kasvattaminen (=rikkidioksidi nlisääminen) siirtää myös reaktion tasapainotilaa rikkitrioksidin suuntaan. Kaasujen puristaminen kokoon (=reaktioseoksen tilavuuden pienentäminen) siirtää myös tasapainotilaa reaktiotuotteen suuntaan (lähtöainepuolelle 3 moolia kaasuja, reaktiotuotepuolella 2 moolia kaasuja), jolloin rikkioksidin osapaine kasvaa.