7.1 Dynamisk likevekt

Reaksjoner som ombestemmer seg

Hittil har vi tegnet kjemiske reaksjoner med en pil som peker én vei: $\text{Reaktanter} \rightarrow \text{Produkter}$. Men virkeligheten er ofte mer interessant. Mange reaksjoner er reversible -- de kan gå begge veier samtidig, og vi skriver dem med en dobbeltpil: $\text{Reaktanter} \rightleftharpoons \text{Produkter}$.

Det betyr at to ting skjer på én gang. Fremoverreaksjonen lager produkter av reaktanter, mens bakoverreaksjonen bryter produktene tilbake til reaktanter. Ta ammoniakksyntesen $\text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{NH}_3(g)$: fremover reagerer nitrogen og hydrogen til ammoniakk, og bakover dekomponerer ammoniakk til nitrogen og hydrogen. Dobbeltpilen forteller at begge prosessene foregår hele tiden.

La oss prøve å skrive en selv. For dannelse av hydrogenjodid fra hydrogen og jod har vi fremover $\text{H}_2 + \text{I}_2 \rightarrow 2\text{HI}$ og bakover $2\text{HI} \rightarrow \text{H}_2 + \text{I}_2$. Samlet blir den reversible reaksjonen $\text{H}_2(g) + \text{I}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{HI}(g)$, der både dannelse og nedbrytning av HI skjer samtidig.

Den dynamiske balansen

Hva skjer hvis vi lar en reversibel reaksjon gå i et lukket system? Til å begynne med er det mest reaktanter, så fremoverreaksjonen dominerer. Men etter hvert som produkter hoper seg opp, går bakoverreaksjonen stadig raskere. Til slutt møtes de to i et avgjørende punkt: kjemisk likevekt.

Ved likevekt gjelder tre ting samtidig. For det første er fremoverfarten lik bakoverfarten ($v_\text{frem} = v_\text{bak}$). For det andre forblir konsentrasjonene av reaktanter og produkter konstante. Og for det tredje -- dette er det forbløffende -- fortsetter begge reaksjonene å skje. Derfor kaller vi det dynamisk likevekt: alt er i bevegelse, men det er ingen netto endring. Det er som en rulletrapp der like mange går opp som ned -- folkemengden på hvert trinn holder seg stabil selv om alle er i bevegelse.

La oss se det konkret. For $\text{N}_2\text{O}_4(g) \rightleftharpoons 2\text{NO}_2(g)$ starter vi ved $t=0$ med $[\text{N}_2\text{O}_4] = 1{,}0$ mol/L og $[\text{NO}_2] = 0$ mol/L. Ved likevekt er $[\text{N}_2\text{O}_4] = 0{,}6$ mol/L og $[\text{NO}_2] = 0{,}8$ mol/L. Konsentrasjonen av $\text{N}_2\text{O}_4$ sank med $0{,}6 - 1{,}0 = -0{,}4$ mol/L -- noe dekomponerte til $\text{NO}_2$. Og siden konsentrasjonene nå holder seg konstante, er systemet i dynamisk likevekt: reaksjonene fortsetter, men fremoverfart er lik bakoverfart.

Hvor ligger balansen?

Likevekt betyr at konsentrasjonene holder seg konstante -- ikke at det er like mye av alt. Inneholder likevektsblandingen mest produkter, sier vi at likevekten ligger til høyre: reaksjonen har kommet langt før balansen ble nådd. Inneholder den mest reaktanter, ligger likevekten til venstre. Ammoniakksyntesen ved 500 °C og vanlig trykk er et eksempel på det siste: blandingen består nesten bare av nitrogen og hydrogen. Hvordan industrien likevel får laget ammoniakk, ser vi i neste kapittel om Le Châteliers prinsipp.

Likevekten kan nås fra begge sider. Starter vi med bare $\text{N}_2\text{O}_4$, dannes $\text{NO}_2$; starter vi med bare $\text{NO}_2$, dannes $\text{N}_2\text{O}_4$. Ved samme temperatur, i samme volum og med like mange atomer totalt ender begge forsøkene med den samme blandingen. Og husk: hvor likevekten ligger, sier ingenting om hvor raskt den nås -- det er reaksjonsfarten som bestemmer det.

Til slutt en betingelse vi lett glemmer: likevekt krever et lukket system. Varmer vi kalsiumkarbonat i en lukket beholder, hoper $\text{CO}_2$ seg opp, og $\text{CaCO}_3(s) \rightleftharpoons \text{CaO}(s) + \text{CO}_2(g)$ når likevekt. I en åpen digel slipper gassen ut, bakoverreaksjonen får ikke noe å jobbe med, og alt kalsiumkarbonatet kan brytes ned. Det er også derfor en åpen brusflaske blir flat.

Oppsummering

Reversible reaksjoner går begge veier samtidig ($\rightleftharpoons$), og i et lukket system når de til slutt dynamisk likevekt -- der fremoverfart er lik bakoverfart, konsentrasjonene er konstante, men begge reaksjonene fortsetter.

En likevekt som inneholder mest produkter, ligger til høyre; en som inneholder mest reaktanter, ligger til venstre. Likevekten kan nås fra begge sider, og hvor den ligger, sier ingenting om farten. Slipper et stoff ut av et åpent system, innstiller det seg ingen likevekt.