Frågor och Svar om Reaktionshastighet och Kemisk Jämvikt

Del 1: Reaktionshastighet

1. Vad är ett aktiverat komplex?

Ett kortlivat och instabilt mellanstadium mellan produkter och reaktanter.

2. Entropi och energiförändring

a) När ett salt löser sig i vatten ökar entropin.

SANT

b) När en gas blir vätska frigörs energi.

SANT

3. Magnesium i saltsyra

Du lägger lite magnesium i saltsyra och studerar reaktionen.

a) Varför ökar reaktionshastigheten om saltsyrans koncentration ökas?

En högre koncentration av saltsyran betyder en högre koncentration av oxoniumjoner. Därmed inträffar fler kollisioner per tidsenhet mellan metallatomer och oxoniumjoner.

b) Varför ökar reaktionshastigheten om magnesiummetallen finfördelas?

Om metallen finfördelas ökar den sammanlagda arean, dvs. antalet magnesiumjoner som exponeras och som oxoniumjonerna kan reagera med.

c) Varför ökar reaktionshastigheten när man höjer temperaturen?

Vid högre temperaturer har jonerna och atomerna mer rörelseenergi. Därmed blir kollisionerna mellan partiklarna mer intensiva och chansen ökar för att gamla bindningar kan brytas så att nya bindningar kan bildas.

4. Hållbara industriella processer

Kemiföretag använder sig av katalysatorer för att utveckla processer som är såväl miljömässigt som ekonomiskt hållbara. Ge exempel på två sätt på vilka katalysatorer kan göra industriella processer mer hållbara.

Lägre temperaturer krävs / aktiveringsenergin sänks – lägre energiförbrukning – mindre bränslen används – mindre koldioxid. Katalysatorer ger även specifika produkter – mindre materialåtgång / materialkostnad. Katalysatorer förbrukas heller inte i reaktionerna.

5. Saltets löslighet

Vad avgör om ett salt är lösligt eller inte?

Det som avgör om ett salt är lösligt är Gibbs fria energi, ΔG:

ΔG = ΔH − TΔS

För att ett salt ska kunna lösas upp måste ΔG vara negativt. ΔH visar om energi tas upp eller frigörs, medan ΔS beskriver förändringen i entropi, alltså graden av oordning.

Vid upplösning ökar ΔS eftersom jonerna går från att vara bundna i en kristallstruktur till att kunna röra sig fritt i vattnet. Det gynnar upplösningen.

ΔH beror på hur starka bindningarna mellan jonerna i kristallen är. Om bindningarna är mycket starka krävs mycket energi för att bryta dem. Då kan ΔH bli så positivt att ΔG också blir positivt, vilket gör saltet svårlösligt.

Det är alltså balansen mellan ΔH och TΔS samt temperaturen som bestämmer ΔG och därmed saltets löslighet. Exempel på svårlösliga salter är CaCO₃ och BaSO₄, som har starka jonbindningar.

6. Energidiagram

Det går att avgöra ifall en kemisk reaktion är exoterm eller endoterm med hjälp av energidiagram.

a) Rita ett energidiagram över en exoterm reaktion:

b) Rita ett energidiagram över en endoterm reaktion.

c) Hur skulle energidiagrammen förändras om det när reaktionen skedde fanns en katalysator närvarande?

Om det fanns en katalysator närvarande hade aktiveringsenergin varit lägre, detta innebär att den första toppen i diagrammen blir lägre.

7. Sant eller falskt om reaktioner

a) I en exoterm reaktion har produkterna större energiinnehåll än reaktanterna.

FALSKT

b) I en endoterm reaktion är ΔH < 0.

FALSKT

c) Vid en exoterm reaktion avges värme.

SANT

d) En endoterm reaktion är aldrig spontan.

FALSKT

8. Kalciumoxid och kalksten

Kalciumoxid produceras när kalksten, CaCO₃, värms upp. Som biprodukt bildas även koldioxid enligt reaktionen: CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g)

a) Är denna reaktion spontan vid 25 °C? Motivera ditt svar.

ΔH° = 178300 J

ΔS° = 160,59 J/K

ΔG° = ΔH° − T · ΔS° = 130 kJ

Eftersom ΔG° > 0 sker reaktionen inte spontant.

b) Beräkna vid vilken temperatur reaktionen blir spontan. Utgå från att systemet är i jämvikt.

1114 K

c) Är reaktionen ovan exoterm eller endoterm?

Endoterm, ΔH° > 0

9. Väteperoxidens sönderfall

Utspädd väteperoxid omvandlas vid rumstemperatur till syrgas och vatten. Detta är emellertid en långsam process; reaktionshastigheten för processen kan ökas genom att öka koncentrationen samt öka temperaturen till 60 °C. H₂O₂ (aq)

a) Förklara varför en koncentrationsökning av väteperoxid ökar reaktionshastigheten.

Fler partiklar per volymenhet ger mer frekventa kollisioner.

b) Förklara varför temperaturhöjningen ökar reaktionshastigheten.

Molekylernas energi ökas, så att fler molekyler har energi över aktiveringsenergin.

c) Förklara hur katalysatorn kan öka processens hastighet.

Katalysatorn sänker aktiveringsenergin genom att öppna en alternativ reaktionsväg, detta genom att bryta (försvaga) bindningar så att fler molekyler har tillräckligt hög energi för att processen ska initieras.

10. Entalpi, entropi och spontanitet

a) Förklara skillnaden mellan entalpi och entropi.

Entalpi: Ett ämnes kemiskt bundna energi som kan omvandlas till termisk energi vid kemiska reaktioner, eller ämnets värmeinnehåll. Beteckning H.

Entropi: Grad av oordning. Beteckning S.

b) Vad krävs för att en reaktion ska vara spontan?

När Gibbs fria energi ΔG < 0 (ΔG = ΔH - T · ΔS)

c) Ge ett exempel på en spontan reaktion.

Exempel: Lösa lättlösliga salter i vatten.

Exempel: Lösa oädla metaller i saltsyra.

d) Vad kan man göra för att förhindra en spontan reaktion?

Sänka temperaturen så att ΔG blir > 0.

Del 2: Kemisk Jämvikt

1. Jämviktsförskjutning vid temperaturändring

N₂ (g) + O₂ (g) ⇌ 2 NO(g), ΔH = 180 kJ/mol. Hur påverkas jämviktsläget av en temperaturökning?

Jämviktsläget förskjuts åt höger. Det bildas mera av produkten.

2. Jämvikter i miljön

Berätta kortfattat om hur jämvikter i miljön uppstår, välj en valfri miljö och utgå ifrån den.

Miljö t.ex.: mark, hav, berggrund, industri eller kroppen.

3. Jämviktskonstant i behållare

I en behållare med volymen 50,0 dm³. Beräkna jämviktskonstanten och ange dess enhet.

4. Om gul och röd

5. Tillsats av fosfatjoner

b) Vid ett experiment tillåts jämvikten ovan inställa sig. Då såg lösningen ut som Figur 1 nedan. När fosfatjoner tillsätts... Tolka och förklara resultatet av experimentet utifrån jämvikten.

Eftersom det bildas ett svårlösligt salt med Fe³⁺ kommer jämvikten att rubbas genom att den reaktanten försvinner. Enligt Le Chateliers princip kommer jämvikten förskjutas åt det håll så att förändringen motverkas, dvs. åt vänster. Då blir lösningen mer ofärgad eftersom FeSCN²⁺ försvinner och därmed den röda färgen, samt att det är mest SCN⁻ kvar i lösningen. En del Fe³⁺ återbildas också, därmed kommer lösningen få en mycket svagt gul färg.

c) Figuren nedan visar hur mängden FeSCN²⁺ varierar under ett experiment. Vilken eller vilka av tidpunkterna X, Y och/eller Z skulle kunna visa tillsatsen av fosfatjoner? Motivera ditt svar.

Y eftersom koncentrationen av FeSCN²⁺-joner minskar. När fosfatjoner tillsätts så minskar koncentrationen järnjoner, vilket innebär att jämviktskoncentrationen förskjuts åt vänster.

d) Anta att det endast är tillsats av Fe³⁺. Förklara i ord och bild hur förändringen av järnjoner skulle kunna se ut vid de olika tillfällena X, Y och Z.

6. Etansyra och etanol

8. En E-kolv med en blandning av 0,200 mol etansyra och 0,110 mol etanol hålls vid temperaturen 25 °C tills följande jämvikt ställt in sig.

7. Karbonylfluoridens sönderfall

9. Jämvikten där karbonylfluorid faller sönder till koldioxid och koltetrafluorid har jämviktskonstanten K = 2,00 vid 1 000 °C. Ett kärl med volymen 1,00 dm³ innehåller från början 0,0210 mol/dm³ COF₂. Beräkna koncentrationen av COF₂ (g) vid jämvikt.

8. Slutet kärl med gaser

10. Ett slutet kärl med volymen 1,00 dm³ innehåller vid jämvikt 0,300 mol kvävgas, 0,400 mol vätgas och 0,100 mol gasformig ammoniak.

9. Jämviktskonstant för svaveltrioxid

11. Vid temperaturen 1000 K är jämviktskonstanten för 2SO₃(g) ⇌ 2SO₂(g) + O₂(g)

0,28 mol

10. Vvätesulfid, vätgas och svavelgas

12. Man har en jämviktsblandning som vätesulfid, vätgas och svavelgas.

11. Färgförändring och temperatur

13. Du studerar jämviktsreaktionen mellan Fe³⁺ och SCN⁻. Fe³⁺ har en gul färg, SCN⁻ är färglös, FeSCN²⁺ har en rödfärg. Beskriv hur du experimentellt, med hjälp av kylning och värmning, skulle kunna fastställa om denna jämviktsreaktion är endoterm eller exoterm.

12. Jämviktsstörningar i färgat system

14. Du studerar jämviktsreaktionen mellan Fe³⁺ och SCN⁻.

a) Vad skulle du kunna tillsätta för att den röda färgen skall bli starkare? Vad är det som händer med jämvikten?

För att den röda färgen skall öka behöver jämvikten förskjutas åt höger, detta skulle t.ex. kunna göras genom att tillsätta KSCN. Detta skulle leda till en ökad koncentration av reaktanter vilket skulle förskjuta jämvikten åt höger, för att motverka uppkomsten av koncentrationsförändringen.

b) När du tillsätter silvernitrat till lösningen får lösningen en gulare färg och det syns en fällning. Vad har hänt med jämvikten?

Jämvikten har förskjutits åt vänster, troligtvis har koncentrationen av tiocyanat minskat. Anledningen till minskningen är att silverjoner bildar en svårlöslig förening tillsammans med tiocyanat, vilket leder till en minskad koncentration av tiocyanat.

13. Jämviktsblandning med vätgas och jodgas

15. I ett kärl med volymen 500 cm³ finns en jämviktsblandning bestående av 0,100 mol vätgas, 0,100 mol jodgas och 0,740 mol vätejodid. Reaktionen för jämvikten är: