Fram að þessu höfum við litið á efnahvörf sem eitthvað fyrirbæri sem byrjar í einu ástandi og endar í öðru. T.d að vetni og súrefni hvarfist saman og myndi vatn. Það á hinsvegar ekki við í öllum tilfellum. Fjölmörg efnahvörf eru þess eðlis að efnahvarf frá hvarfefnum til myndefna og einnig frá myndefnum til hvarfefna geta gerst á sama tíma. Slík efnahvörf köllum við jafnvægishvörf og eru táknuð á þennan máta
þar sem tvöfalda örin táknar að um jafnvægishvarf sé að ræða.
Þegar við erum að vinna með jafnvægishvörf þurfum við að hafa í huga að þar sem hvarfið getur gengið í báðar áttir þá getur það ekki endað að fullu öðru megin (þ.e. á myndefna eða hvarfefna hliðinni) heldur mun það enda sem einhver blanda af mynd- og hvarfefnum.
Það sem stýrir hlutfallinu á milli myndefna og hvarfefna er þá hraði hvors efnahvarfs fyrir sig, þ.e hraði hvarfsins frá hvarfefnum til myndefna og hraði hvarfsins frá myndefnum til hvarfefna. Skoðum efnahvarfið
Hér er hraða hvarfsins í aðra áttina lýst með
Og í hina áttina með
Þar sem að hraði efnahvarfs er háður styrk efnasambandanna þá er hraði fyrra hvarfsins meiri í upphafi efnahvarfsins þegar einungis hvarfefni eru til staðar. Vegna þessa þá eykst styrkur myndefnanna fyrst um sinn en samhliða því þá vex hvarfhraði seinna hvarfsins. Þegar þessir tveir hvarfhraðar eru orðir jafnháir þá hætta hlutföllinn á milli hvarf og myndefna að breytast og við segjum að hvarfið sé komið í jafnvægi.
Þar sem hvarfhraði efnahvarfanna er orðin sá sami þegar jafnvægi hefur verið náð get ég nýtt mér það til að leiða út eftirfarandi jöfnu.
þar sem K er þá jafnvægisfastinn fyrir jafnvægishvarfið. Jafnvægisfastinn er einstakur fyrir hvert efnahvarf en hann er háður bæði hitastigi og þrýstingi sem hvarfið er við.
Út frá þessum jöfnum má síðan sjá skýrt samband á milli jöfnu jafnvægisfastans og almennu hvarfjöfnunnar sem eru
En með þessum jöfnum getum við þá bæði fundið jafnvægisfastann K ef við þekkjum styrki við jafnvægisaðstæður, og við getum fundið jafnvægisstyrki efnasambanda ef við þekkjum jafnvægisfastann og upphafsstyrki. Skoðum þetta með sýnidæmum.
Sýnidæmi 1
Sýnidæmi 2
Sýnidæmi 3
Fasar efnasambanda og jafnvægi.
Í dæmunum hér á undan tókuð þið kannski eftir því að öll efnasamböndin í jafnvæginu voru í sama fasa, þ.e. í gasfasa eða uppleyst í vatni. Ástæða þess er sú að jafnvægi getur einungis átt sér stað annað hvort hjá mismunandi efnasamböndum innan sama fasa eða fyrir sama efnasamband á milli tveggja fasa. T.d. getur verið til staðar jafnvægi á milli koltvísýrings í andrúmslofti og uppleyst koltvísýrings í vatni
og einnig jafnvægi á milli uppleyst koltvísýrings í vatni og kolsýru.
En það getur ekki verið beint jafnvægi á milli koltvísýrings í andrúmslofti og kolsýru í vatni.
Í sumum tilfellum er þetta leyst með því að setja hluta af jafnvæginu (t.d. fasaskiptin) inn í jafnvægisfastann sjálfan með því að setja jafnvægishvarfið upp sem kúplað hvarf.
Í jafnvægishvörfum þar sem hreinir vökvar og föstum efni taka þátt er einfaldlega gert ráð fyrir að styrkur þeirra sé = 1 vegna fyrirbæris sem kallast virkni (sem er utan þess sviðs sem þetta námsefni nær yfir). Vegna þessa þá má einfaldlega þurrka út föst efni og vökva úr jöfnum jafnvægisfastans.
Sýnidæmi 4
Kúplað jafnvægi
Þegar hægt er að leggja saman tvö jafnvægishvörf þar sem þriðja jafnvægishvarfið fæst þá er þriðja hvarfið svokallað kúplað jafnvægishvarf. Jafnvægisfastinn fyrir það hvarf er þá margfeldi jafnvægisfasta þeirra hvarfa sem kúplaða hvarfið er gert úr
Kúpluð jafnvægishvörf geta verið gagnleg til að skoða fyrirbæri þar sem annað hvarfið er auðvelt að mæla en hitt er erfitt að mæla.
Sýnidæmi 5.
Tengls jafnvægisfasta við hvarfstefnu og hlutföll í hvarfjöfnum.
Jafnvægisfasti er ávallt gefinn upp fyrir ákveðið efnahvarf, þ.e. stefnu hvarfsins og mólfjölda efnasambanda í hvarfi.
Ef við höfum jafnvægisfasta fyrir efnahvarf þá getum við fundið jafnvægisfasta fyrir efnahvarfið þar sem mynd og hvarfefni hafa verið víxluð einfaldlega með
Ef við þurfum að breyta hlutföllunum á efnahvarfi þá eru tengls jafnvægisfastans og breytinga á hlutföllum fundinn með
Þar sem n er talan sem hvarfið var margfaldað með. Skoðum þetta nánar í sýnidæmi.
Sýnidæmi 6
Sýnidæmi 7.
Lögmál Le Chatelier.
Í stuttu máli þá gengur lögmál Le Chatelier út frá þeirri staðreynd að ef að breytingu er þröngvað upp á jafnvægishvarf, þá hliðrast jafnvægishvarfið í þá átt sem dregur úr breytingunni. Þetta þýðir t.d. að
- Þegar efnasamband er bætt við jafnvægishvarf, þá hliðrast það frá þeirri hlið sem er með efnasambandinu.
- Þegar hiti er aukin í umhverfi jafnvægishvarfs, þá hliðrast hvarfið frá þeirri hlið þar sem orkulosun á sér stað.
- Þegar þrýstingur er aukin í jafnvægishvarf, þá hliðrast hvarfið á þann máta sem minnkar plássið sem gastegundirnar taka.
Með því að þekkja vel lögmál Le Chatelier má í fljótu bragði sjá hvaða áhrif breytingar á umhverfi myndu hafa á jafnvægi efnahvarfs. Skoðum þetta aðeins nánar.
Breyting á efnismagni
Þennan þátt er eflaust auðveldast að skilja. Þegar efni er bætt inn í jafnvægishvarf þá mun hvarfið alltaf hliðrast frá þeirri hlið sem að efnið er staðsett í. Þegar efni er tekið úr jafnvægishvarfi þá hliðrast hvarfið alltaf að þeirri hlið sem að efnasambandið var á.
Ástæða þessa er sú að við efnisbreytinguna þá breytist styrkur efnasambandsins í jafnvæginu. Þegar styrkurinn breytist þá breytist einnig hraðinn á efnahvarfinu sem efnasambandið tilheyrir. Það þýðir að efnahvarfið er ekki lengur í jafnvægi og hlutföll efnanna verða að breytast það til að nýju jafnvægi er náð.
Hitabreyting
Hiti hefur áhrif á hraða efnahvarfa. Almenna reglan er sú að meiri hiti þýðir meiri hraði. Hinsvegar er ekkert sem segir að hraðaaukning sé jafnmikil í báðar áttir. Þvert á móti þá hefur orkubreyting efnahvarfisins mikið að segja um það hvernig hraði hvarf breytist með auknum hita. Sé efnahvarf innvermið þá eykst hraði þess að jafnaði meira með auknum hita en ef hvarf er útvermið.
Þetta leiðir af sér að þegar hiti er aukin í umhverfi jafnvægishvarfs, þá hliðrast hvarfið alltaf frá þeirri hlið þar sem orkulosun á sér stað. Þegar hiti er minnkaður í umhverfi jafnvægishvarfs, þá hliðrast hvarfið alltaf að þeirri hlið þar sem orkulosun á sér stað.
Þrýstibreyting
Þrýstibreytingar hafa fyrst og fremst áhrif á jafnvægi þar sem efnasambönd á gasformi koma við sögu. Þegar þrýstingur er aukin í jafnvægishvarf, þá hliðrast hvarfið alltaf á þann máta sem minnkar plássið sem gastegundirnar taka. Þegar þrýstingur er minnkaður í jafnvægishvarf, þá hliðrast hvarfið alltaf á þann máta sem eykur plássið sem gastegundirnar taka.
Til að finna hvor hliðinn tekur meira pláss má einfaldlega telja fjölda móla í efnajöfnunni hvoru megin fyrir sig og bera saman. Ástæða þess er sú að allar gastegundir taka nokkuð veginn sama pláss við hefðbundnar aðstæður. Þess vegna er mólarhlutfall í jafnvægisjöfnunni mælikvarði á það pláss sem hvor hlið tekur.
Hvatar
Hvatar eru mjög gagnleg efni því að þeir hafa þann eiginleika að auka hraða efnahvarfa. En hvatar hafa engin áhrif á jafnvægi efnahvarfa þar sem þeir breyta hvarfhraða jafnt í báðar áttir.