Kemiallinen tasapaino

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Kemiallinen tasapaino on tilanne, jossa jatkuvasti reagoivan seoksen pitoisuudet eivät muutu ajan kuluessa. Käytännössä tämä johtuu siitä, että vaikka vastakkaisiin suuntiin etenevät reaktiot olisivat nopeita, ne ovat yhtä nopeita, jolloin nettoreaktiota ei tapahdu. Kemiallinen tasapaino on dynaaminen tasapaino eli verrattavissa siihen, että pysyy alaspäin pyörivissä liukuportaissa paikallaan kävelemällä yhtä nopeasti ylöspäin.

Tasapainoreaktioissa reaktionuolena käytetään kaksisuuntaista puolinuolta.

N2(g) + 3 H2(g) \rightleftharpoons 2 NH3(g)

Kemiallisen tasapainon reaktionopeudet esimerkkireaktiolle ovat seuraavanlaiset, kun [A] ja [B] ovat reagenssien pitoisuudet:

A → B: r1 = k1[A]
B → A: r-1 = k-1[B]

Nettoreaktionopeus on siis:

r = r1 - r-1 = k1[A] - k-1[B]

Tasapainossa nettoreaktio on nolla:

0 = k1[A] - k-1[B]
K = k1/k-1 = [B]/[A]

Vakio k1/k-1 määritellään tasapainovakioksi. Massavaikutuksen lain mukaan se on kullekin kemialliselle reaktiolle ominainen vakio. Yleiselle tapaukselle voidaan johtaa:

K = Σ([B]nbn)/Σ([A]nan), kun reaktio on a1A1 + a2A2 + .. → b1B1 + b2B2 + ..

missä yläkerta on tuotteiden ja alakerta lähtöaineiden mukaan määriteltyjen termien summa; termit ovat komponenttien pitoisuudet potenssiin komponenttien stoikiometriakertoimet. Potenssiin korotus seuraa siitä, että komponentin A:n todennäköisyys osua tilavuuselementtiin kerran on suhteessa [A]:han. Jos tilavuuselementtiin pitää osua kaksi A-molekyyliä kerrallaan reaktiota varten, tämän todennäköisyys on ensimmäisen ja toisen elementtiin osumisen tulo, eli [A] kertaa [A], eli [A]2.

K:n mittaamalla voi johtaa tasapainokonsentraatio toiselle reagenssille, kun toinen pitoisuus tiedetään.

Esimerkiksi ammoniakille stoikiometriakertoimet ovat 1 typelle, 3 vedylle ja 2 ammoniakille:

N2 + 3H2 \rightleftharpoons 2NH3

josta

K = [NH3]2 / ([N2][H2]3)

missä K on vakio, kun olosuhteet (lämpötila, paine) pidetään samana. Tasapainon paikkaa voi muuttaa muuttamalla lämpötilaa ja painetta.

Kemiallinen tasapaino on äärimmäisen tärkeä elävän luonnon kemiassa, koska sen takia puskuriliuosten happamuus pysyy vakiona, esimerkkinä veri.