KEEMILISE REAKTSIOONI KIIRUS JA TASAKAAL Martin Saar GAG 2007

1. REAKTSIOONI TÜÜBID ÜHINEMISREAKTSIOON LAGUNEMISREAKTSIOON 2 Mg + O2  2 MgO Na2O + H2O  2 NaOH LAGUNEMISREAKTSIOON Ca(OH)2  CaO + H2O CaCO3  CaO + CO2 ASENDUSREAKTSIOON 2 Na + 2 HCl  2 NaCl + H2 VAHETUSREAKTSIOON NaOH + HCl  NaCl + H2O

2. ENERGIA REAKTSIOONIS EKSOTERMILINE ENDOTERMILINE Energia eraldub, ΔH < 0 Tavaliselt ühinemisreaktsioonid (Lahustumisel: hüdraatumine ehk aineosakeste seostumine vee molekulidega (sidemete teke)) ENDOTERMILINE Energia neeldub, ΔH > 0 Tavaliselt lagunemisreaktsioonid (Lahustumisel: kristallivõre lõhkumine (sidemete katkemine))

3. REAKTSIOONI KIIRUS Keemilise reaktsiooni kiirus näitab ajaühikus ruumalaühiku kohta tekkinud või reageerinud ainehulka (moolides). mol/dm3∙s Reaktsiooni kiiruse kasvu põhjustavad tegurid: Temperatuuri tõstmine Segamine Kontsentreerimine Tahke aine peenestusastme suurendamine Gaaside puhul rõhu suurendamine

3. REAKTSIOONI KIIRUS Katalüsaator muudab reaktsiooni kiirust, osaledes aktiivse vaheühendi moodustamisel, aga eraldub reaktsiooni lõpus algses koguses. Negatiivne katalüsaator on inhibiitor; Inimorganismis ensüümid: katalüüsivad kindlaid reaktsioone!

4. REAKTSIOONI TASAKAAL Pöördumatud reaktsioonid Kulgevad ühes suunas ja lõpuni Mg + O2  2 MgO NaOH + HCl  NaCl + H2O Pöörduvad reaktsioonid Toimuvad mõlemas suunas ja ei kulge lõpuni 2 SO2 + O2 ↔ 2 SO3 CaCO3 ↔ CaO + CO2

4. REAKTSIOONI TASAKAAL Mõtiskleme tasakaalu olemusest ammoniaagi saamise alusel: N2 + 3 H2 ↔ 2 NH3 Kui paneme reageerima lämmastiku ja vesiniku, hakkab tasapisi tekkima ammoniaaki. Alguses on ühinemisreaktsioon kiire, sest vesinikku ja lämmastikku on võrdlemisi palju, ent see aeglustub tasapisi; Nii, kui ammoniaak on hakanud tekkima, hakkab see ka tasapisi lagunema. Alguses on see lagunemisreaktsioon aeglane, aga mida rohkem on ammoniaaki tekkinud (mida suurem on tema kontsentratsioon), seda kiiremini ta laguneb;

4. KEEMILINE TASAKAAL Ühel hetkel muutuvad aeglustuva ühinemisreaktsiooni ja kiireneva lagunemisreaktsiooni kiirused võrdseks – saabub keemiline tasakaal.  Tasakaalumoment saabub siis, kui päri- ja vastassuunalise reaktsiooni kiirus muutuvad võrdseteks. See tasakaal on dünaamiline: pidevalt toimuvad mõlemasuunalised protsessid!

4. REAKTSIOONI TASAKAAL Keemilise reaktsiooni tasakaalu (st tasakaalu saabumise punkti reaktsiooni ulatuse suhtes) on võimalik nihutada. See on tööstuses rakenduslikult oluline, et tõsta saagist. Tasakaalu nihutame vastavalt le Chatelier’ printsiibile: pöörduva protsessi tasakaal nihkub alati vastassuunas tekitatud muutusele.

4. REAKTSIOONI TASAKAAL Lähteainete kontsentratsiooni suurendamisel saaduste tekke suunas Lähteainete kontsentratsiooni vähendamisel lähteainete tekke suunas Temperatuuri tõstmisel endotermilise reaktsiooni suunas Temperatuuri alandamisel eksotermilise reaktsiooni suunas Rõhu tõstmisel väiksema gaasi moolide arvu suunas Rõhu vähendamisel suurema gaasi moolide arvu suunas

4. REAKTSIOONI TASAKAAL NB! Tahke aine kontsentratsioon, peenestuaste, segamine või katalüsaatori kasutamine mõjutavad vaid reaktsiooni kiirust, mitte aga tasakaalu!

ÜLESANDED Kuidas mõjutavad allpool loetletud tegurid gaaside vahel kulgeva reaktsiooni kiirust? N2 + O2 ↔ 2 NO Rõhu tõstmine Jahutamine Õhu asendamine puhta hapnikuga Efektiivsema katalüsaatori kasutamine Kuumutamine 1) rõhu tõstmine – kuna reaktsioonist võtavad osa gaasilised ained, siis reaktsiooni kiirus suureneb. Mida kõrgem on rõhk, seda suurem on reaktsiooni kiirus. 2) Jahutamine – temperatuuri alandamine aeglustab alati reaktsiooni (ja temperatuuri tõstmine kiirendab). 3) Õhu asendamine puhta hapnikuga – kuna õhu asendamisel puhta hapnikuga kasvab hapniku kontsentratsioon (sest O2 on õhus vaid 1/5), siis see kiirendab reaktsiooni. 4) Efektiivsema katalüsaatori kasutamine – kiirendab.. mida parem katalüsaator, seda suurem kiirus. 5) Kuumutamine – temperatuuri tõstmine alati kirendab reaktsiooni.

ÜLESANDED Kuidas mõjutavad reaktsiooni Mg + H2SO4  MgSO4 + H2 toimumise kiirust järgmised tegurid: Temperatuuri tõstmine Rõhu tõstmine Happe kontsentreerimine Vee lisamine Metalli peenestamine 1) kiirendab 2) ei mõjuta, sest lähteainete osas pole gaase... 3) kiirendab – ainete kontsentratsiooni suurendamine tõstab alati reaktsiooni kiirust. 4) Vee lisamine – lahjendab hapet ja seega alandab lähteaine kontsentratsiooni ehk aeglustab reaktsiooni 5) Tahkete ainete peenestamine alati kiirendab reaktsiooni, kui reageerivad tahked ained

ÜLESANDED Miks ei saa ammoniaagi valmistamisel kunagi lämmastiku ega vesiniku kontsentratsioonid võrdseks nulliga? Tegemist on pöörduva reaktsiooniga – tasakaalupunkt saabub siis, kui kogu vesinik ja lämmastik pole ammoniaagiks reageerinud (isegi headel tingimustel juba siis, kui NH3 annab vaid 30% segust!!!)

ÜLESANDED Reaktsioon 2CO + O2 ↔ 2CO2 on eksotermiline. Millises suunas nihkub selle reaktsiooni tasakaal: Temperatuuri tõstmisel Rõhu tõstmisel Kuidas mõjutavad need tegurid reaktsiooni kiirust? 1) temperatuuri tõstmisel – kuna öeldakse, et reaktsioon on eksotermiline (st et otsesuunaline reaktsioon vasakult paremale on eksotermiline – seega paremalt vasakule on vastupidi endotermiline), siis seega temperatuuri tõstmisel nihkub tasakaal vasakule ehk lähteainete suunas (st endotermilise reaktsiooni suunas) 2) rõhu tõstmisel nihkub tasakaal paremale (2 mooli vaid gaasilisi aineid, vasakul on kolm). Nii temperatuuri kui ka rõhu tõstmine kiirendavad reaktsiooni!

ÜLESANDED N2 + 3 H2 ↔ 2 NH3 (ΔH < 0) Kuidas muuta ammoniaagi tootmine võimalikult efektiivseks? N2 + 3 H2 ↔ 2 NH3 (ΔH < 0) Kõrge rõhk (vasakul 4 mooli gaasilisi aineid, paremal 2 mooli) Võrdlemisi madal temperatuur (aga mitte liiga madal, siis muutub reaktsioon kole aeglaseks) Juhtida pidevalt segust ära NH3 ja uus N2, H2 asemele

ÜLESANDED Millised järgmistest teguritest nihutavad kinnises anumas kulgeva pöörduva reaktsiooni CaO + CO2 ↔ CaCO3 (ΔH < 0) tasakaalu saaduste tekke suunas? Rõhu tõstmine süsteemis Temperatuuri alandamine Lähteaine (CaO) peenestamine CO2 juurdelisamine Segamine CO2 eemaldamine süsteemist rõhu tõstmine nihutab saaduste suunas, sest saaduste pool on gaasiliste ainete moolide arv väiksem (saaduste hulgas gaase polegi, lähteainete osas on 1 mool CO2) temperatuuri alandamine nihutab eksotermilise reaktsiooni suunas. Kuna on antud, et ΔH<0 ehk otsesuunaline reaktsioon on eksotermiline, siis seega nihutab tasakaalu saaduste suunas. 3) Lähteaine peenestamine – ei muuda tasakaalu 4) CO2 juurdelisamine nihutab tasakaalu saaduste suunas (sest lähteaine konts. Suureneb) 5) Segamine – ei muuda tasakaalu 6) CO2 eemaldamine süsteemist – lähteainete kontsentratsiooni alandamine – nihutab tasakaalu lähteainete tekke suunas.

ÜLESANDED Kuidas muutuvad reaktsiooni 2CO ↔ C + CO2 (ΔH < 0) kiirus ja tasakaal järgmiste tegurite toimel? Temperatuuri alandamine C peenestamine Rõhu tõstmine CO lisamine Temperatuuri alandamisel aeglustub reaktsioon ja tasakaal nihkub eksotermilise reaktsiooni suunas ehk paremale Süsiniku peenestamisel ei muutu pärisuunalise reaktsiooni kiirus (vastusuunaline kiireneb), tasakaalule see mõju ei avalda Rõhu tõstmisel nihkub tasakaal paremale, sest seal on gaasilisi aineid vaid 1 mool; reaktsioon kiireneb CO lisamisel nihkub tasakaal samuti paremale ja reaktsioon kiireneb (kontsentratsioon suureneb)!