13.1 Efnajafnvægi

Efnajafnvægi

Námsmarkmið

Í lok þessa kafla muntu geta:

Lýst eðli jafnvægiskerfa
Útskýrt kvikt eðli efnajafnvægis

Venjan við ritun efnajafna felur í sér að setja formúlur hvarfefna vinstra megin við efnahvarfsör og formúlur myndefna hægra megin. Samkvæmt þessari venju, og skilgreiningum á „hvarfefni“ og „myndefni“, táknar efnajafna viðkomandi efnahvarf sem gengur frá vinstri til hægri. Afturkræf efnahvörf (e. reversible reactions) geta þó gengið í báðar áttir, bæði fram (frá vinstri til hægri) og aftur (frá hægri til vinstri). Þegar hvarfhraði fram- og afturhvarfa er jafn, helst styrkur hvarfefna og myndefna stöðugur yfir tíma og kerfið er í jafnvægi (e. equilibrium). Hlutfallslegur styrkur hvarfefna og myndefna í jafnvægiskerfum er mjög breytilegur; sum kerfi innihalda aðallega myndefni í jafnvægi, sum innihalda aðallega hvarfefni og sum innihalda umtalsvert magn af báðum.

Mynd 13.2 sýnir grundvallarhugtök jafnvægis með því að nota afturkræft niðurbrot litlauss tvíniturtetroxíðs sem gefur af sér brúnt niturdíoxíð, frumhvarf sem lýst er með jöfnunni:

Mynd 13.2 (a) Lokað glas sem inniheldur litlaust N₂O₄ dökknar þegar það brotnar niður og myndar brúnt NO₂. (b) Breytingar á styrk yfir tíma þegar niðurbrotsefnahvarfið nær jafnvægi. (c) Við jafnvægi er hvarfhraði fram- og afturhvarfa jafn.

N_{2} O_{4} (g) ⇌ 2 {NO}_{2} (g)

Takið eftir að sérstök tvöföld ör er notuð til að leggja áherslu á afturkræft eðli efnahvarfsins.

Fyrir þetta frumhvarf má leiða hraðalögmál fyrir fram- og afturhvarfin beint út frá efnajöfnuhlutfallinu:

{rate}_{f} = k_{f} [N_{2} O_{4}]

{rate}_{r} = k_{r} [{NO}_{2}]^{2}

Þegar efnahvarfið hefst (t = 0) er styrkur hvarfefnisins N₂O₄ endanlegur og styrkur myndefnisins NO₂ er núll, þannig að framhvarfið gengur á endanlegum hraða á meðan hvarfhraði afturhvarfsins er núll. Eftir því sem tíminn líður eyðist N₂O₄ og styrkur þess minnkar, á meðan NO₂ myndast og styrkur þess eykst (Mynd 13.2b). Minnkaður styrkur hvarfefnisins hægir á hvarfhraða framhvarfsins og aukinn styrkur myndefnisins eykur hvarfhraða afturhvarfsins (Mynd 13.2c). Þetta ferli heldur áfram þar til hvarfhraði fram- og afturhvarfa verður jafn, en þá hefur efnahvarfið náð jafnvægi, sem einkennist af stöðugum styrk hvarfefna og myndefna (skyggð svæði á Mynd 13.2b og Mynd 13.2c). Mikilvægt er að leggja áherslu á að efnajafnvægi eru kvik; efnahvarf í jafnvægi hefur ekki „stöðvast“ heldur gengur það í fram- og afturátt á sama hraða. Þetta kvika eðli er nauðsynlegt til að skilja hegðun jafnvægis eins og fjallað er um í þessum og síðari köflum textans.

Two people are shown throwing juggling pins back and forth to one another. — Mynd 13.3 Jöglaratriði með tveimur einstaklingum sýnir kvika þáttinn í efnajafnvægi. Hver einstaklingur kastar og grípur kylfur á sama hraða og hvor um sig heldur á (nokkurn veginn) stöðugum fjölda kylfa.

Eðlisbreytingar, svo sem fasaskipti, eru einnig afturkræfar og geta komið á jafnvægi. Þetta hugtak var kynnt í öðrum kafla þessa texta með umfjöllun um gufunarþrýsting þétts fasa (vökva eða fasts efnis). Sem dæmi má nefna uppgufun bróms:

{Br}_{2} (l) ⇌ {Br}_{2} (g)

Þegar brómi í vökvaformi er bætt í annars tómt ílát og ílátið er lokað, mun framferlið sem sýnt er hér að ofan (uppgufun) hefjast og halda áfram á nokkurn veginn stöðugum hraða svo lengi sem yfirborðsflatarmál vökvans og hitastig hans haldast stöðug. Eftir því sem meira magn af brómi á gasformi myndast, mun hraði afturferlisins (þétting) aukast þar til hann jafnast á við uppgufunarhraðann og jafnvægi er náð. Ljósmynd sem sýnir þetta fasaskiptajafnvægi er að finna í Mynd 13.4.

A glass container is shown that is filled with an orange-brown gas and a small amount of dark orange liquid. — Mynd 13.4 Lokað glas sem inniheldur jafnvægisblöndu af brómi í vökva- og gasformi. (heimild: http://images-of-elements.com/bromine.php)