Flemming Fischer
Anvendt kemi
O
COOH HC HC
C
CH
O C
2
3. udgave
C
CH3
CH
Praxis – Nyt Teknisk Forlag
Anvendt kemi 2 Af Flemming Fischer
3. udgave, 2019 © Forfatteren og Praxis, 2011 Forlagsredaktion: Jesper Nørgaard, jno@praxis.dk Grafisk tilrettelæggelse: Dorthe Møller DTP: Stig Bing, Grapida Omslag: Stig Bing, Grapida Omslagsfoto: Colourbox Sat med: Adobe Caslon ISBN, eBog+ 978-87-571-2959-5 Varenummer: 101098-9+
Alle rettigheder ifølge gældende lov om ophavsret forbeholdes. Kopiering fra denne bog må kun finde sted på institutioner, der har en aftale om kopiering med Copydan Tekst & Node, og kun inden for aftalens rammer. Se mere på www.copydan.dk
Praxis praxis.dk webshop.praxis.dk
Forord
Forord Dette andet bind i Anvendt kemi-serien fra juli 2011 dækker det meste af det stof, der traditionelt gennemgås i kemiundervisningen på andet år på HTX, hvor der ikke undervises på C-niveau alene, samt i forbindelse med det, der på HF og STX kendes som B-niveauet. Det har været målet, at den røde tråd fra bind 1, med vekselvirkning mellem praktiske eksempler og teoretisk stof, også her fremstår som en vigtig del af kemien. Mange mennesker har hjulpet mig med denne bog. En stor tak til de mange elever, der i årets løb har givet mig mange konstruktive input til forbedringer og justeringer i forhold til bind 1. En særlig tak skylder jeg især Thomas, Nico, Ashkan, Tahmina, Sissel og Caroline, der alle (og uden tvang) lod sig fotografere og nu optræder her i bogen. Også tak til mine kolleger på såvel Horsens HF & VUC samt Horsens Tekniske Gymnasium, og specielt til Laila Knudsen og Søren Hansen, som har givet gode råd i faglige spørgsmål til forskellige emner i bogen. Igen i dette bind har Peter Müller været en god hjælp, når det gælder arbejdet med det praktiske apparatur. En række specialister inden for forskellige fagområder har leveret cases fra ”den virkelige verden”, og også disse forfattere skal herfra have en stor tak for deres respektive bidrag. Endelig skal Knud Ole Reffstrup heller ikke glemmes. Hans grundige og konstruktive kritik ved gennemlæsningen af bogen har givet mange forbedringer af teksten og luget mange fejl ud. De fejl, der stadig måtte være, står dog helt for min regning. Sidst, men ikke mindst skal min familie også nævnes. Tak til jer for stor tålmodighed og opbakning for projektet. I 2. udgave fra maj 2015 er der foretaget rettelser, ligesom denne 3. udgave er kritisk gennemgået og redaktionelt tilrettet for småfejl, inkonsistenser og lign. Den er ligesom Anvendt kemi 1 tilpasset den nye reform. Teksten er udbygget flere steder, bl.a. med tilføjelsen af et afsnit om fordelings- og opløselighedsligevægte, mens acetylsalicylsyre-syntesen er udvidet. Endelig er bogen blevet opdateret med et lidt strammere layout. Horsens, april 2019 Flemming Fischer
3
Læsevejledning
Opgaver markeret med en stjerne uden for bjælken er særligt udfordrende. De er til dig, som finder de andre opgaver lette og gerne vil videre end det.
4
Opgaver er til dig som elev. Dem bruger du til at træne din forståelse af sprogbrug, begreber og sammenhænge. En ting er at læse teksten – men kun hvis du anvender din viden og træner din forståelse, vil den fæstne sig og blive nyttig.
Forsøg
Nogle steder har opgaverne en lille gul seddel med ”Forsøg” skrevet øverst. Det er små forsøg, som du enten selv kan lave sammen med dine medstuderende, eller som din lærer vil vise som demonstrationsforsøg.
Case
E k s e m pe l 3 .3
En lysegrøn bjælke markerer forklaring på brugen af et bestemt stykke udstyr eller apparatur.
O p g a v e 3. 1
En blå bjælke ud for teksten markerer et gennemregnet eksempel. De står som en del af teksten, men ofte viser løsningsmetoderne for de arbejdsopgaver, der følger senere i afsnittet.
Udst. 1.6
Gennem bogen er en række elementer markeret på forskellig vis:
Gennem bogen optræder en række cases. De skal give skolekemien dens virkelige perspektiv, og de kan måske inspirere til tematiske forløb eller projektopgaver.
Indholdsoversigt
Indholdsoversigt 0 Indledning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Hvad laver en kemiker? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Og hvad så med denne bog?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1
Kemisk ligevægt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Kemisk ligevægt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Kunstigt fremstillet ammoniak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Reaktionsbrøk. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Placering af ligevægten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Le Chateliers princip – indgreb i ligevægtssystemet . . . . . . . . . . . . . . . 23 Tilsætning af stof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Trykændring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Temperatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Endoterme og exoterme processer – begrebet entalpi. . . . . . . . . . . . . 28 Fordelingsligevægte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Opløselighedsligevægte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Beregning på ligevægtssystemer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Case: Aggressivt vand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2 Reaktions-hastighed. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Reaktionshastighed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Faktorer, der påvirker reaktionshastigheden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Stofferne, der reagerer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Temperaturen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Koncentration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Overfladen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Aktiveringsenergi – ikke alle sammenstød giver en reaktion. . . . . . . . 46 Katalyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Enzymer – organiske katalysatorer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Case: Fra nanomaterialer til bioplast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3
Oxygenholdige organiske stoffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Organisk kemi II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Mere om navngivning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Navngivningsregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Reaktionsvillige radikaler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5
Indholdsoversigt
Isomeri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Kædeisomeri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Stillingsisomeri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Funktionsisomeri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Benzen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Alifatiske og aromatiske forbindelser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Navngivning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Polyaromatiske stoffer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Hydroxyforbindelser: Alkoholer og beslægtede stoffer . . . . . . . . . . . . 72 Phenoler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Alkoholers fysiske egenskaber. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Alkoholers kemiske egenskaber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Polyoler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Primære, sekundære og tertiære alkoholer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Oxidation af alkoholer – Beckmanns blanding. . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Oxo-forbindelser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Tollens’ reagens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Sukkerstoffer: Aldoser og ketoser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Organiske syrer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Fedtsyrer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Aromatiske syrer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Ethere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Epoxider. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Estere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Polyester . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Case: DAKA I: Fra ko til brændstof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 4
Nitrogenholdige organiske stoffer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Organisk kemi III – mere om isomeri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 E/Z-isomeri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Spejlbilledisomeri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Thalidomid – en medicinal tragedie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Nitroforbindelser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Ammoniak. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Aminer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Aminosyrer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Peptider. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Amider. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 Polyamider. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Amfetamin – narko, doping, eller medicin?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6
Indholdsoversigt
5 Syntese. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 Synteser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 1. Valg af reaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 2. Udførelse og optimering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 3. Oprensning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 4. Efterbehandling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Hovedpinepiller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Valg af reaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Optimering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Oprensning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Efterbehandling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Abrikosduft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Omgang med kemikalier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 MÌrkning af kemikalier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Case: DAKA II: Praktisk syntese-teknologi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 6 Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 Titrering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Tyndtlagschromatografi (TLC). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Spektrofotometri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Gaschromatografi (GC). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Case: Mycotoksiner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 Appendiks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 Stikord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
7
Kemisk ligevægt
Nogle gange går det op, andre gange går det ned. I kemiens verden går det frem og tilbage – og når det sker lige hurtigt begge veje, så har man en kemisk ligevægt.
15
Kemisk
ligevægt
Kemisk ligevægt I kemiens verden lader man forskellige stoffer reagere med hinanden for at danne nye stoffer. Men nogle gange sker det, at reaktionen ikke vil ”løbe til ende”, således at der er noget tilbage af de reaktanter, man startede med. Der opstår det, man kalder en kemisk ligevægt mellem reaktanter og produkter. I den virkelige verden er der massevis af kemiske ligevægte – faktisk kunne vi slet ikke leve uden. I dette kapitel skal vi se nærmere på dette fænomen, og vi skal prøve at se på, hvilke faktorer der kan ændres på, for at man med lidt snedighed kan få en kemisk proces til at gå lidt længere. Det er fx en vigtig ting for den kemiske industri, hvor det er af stor betydning at kunne få så stort et udbytte af råstofferne (reaktanterne) som muligt. Lad os starte med et eksempel.
E k se mp e l 1 . 1
Kunstigt fremstillet ammoniak Nitrogen er et vigtigt næringsstof, som planterne skal bruge for at vokse. Der er masser af nitrogen i den atmosfæriske luft, men det kan de allerfleste planter ikke udnytte. De skal have det ind gennem rødderne enten som nitrat eller som ammonium. Hvis ikke jorden løbende tilføres disse stoffer, i takt med at planterne forbruger dem og derpå høstes, bliver den ”udpint”, og planterne får sværere ved at vokse. Derfor må nitrogen tilføres som gødning, og derfor er gylle en vigtig brik i gødningspuslespillet: Når proteiner nedbrydes i dyrenes fordøjelsessystem, ender de med at blive til ammoniak, og når gyllen spredes på marken, kommer ammoniakken i kontakt med den sure jord og omdannes til ammonium.
En meget simpel udgave af kvælstofkredsløbet.
Landmænd har vidst i umindelige tider, at der, hvor dyrene fik lov at gå, voksede planterne bedre året efter. I løbet af det 19. århundrede havde man indset, at netop kvælstofforbindelser var centrale i den sammenhæng, og hvis man kunne tilføre afgrøderne på markerne ekstra ammoniak, kunne man opnå et større udbytte. Dermed var de første tanker om kunstgødning lagt. I første omgang måtte man finde naturligt forekommende kvælstofressourcer, og der opstod blandt andet en stor handel med salpeter og guano, men samtidig var der et stort arbejde i gang for at finde metoder til at fremstille kunstig gødning. 16
Kemisk
ligevægt
BASF hovedanlæg i Ludwigshafen, det største integrerede industrikompleks i Europa. (Foto: BASF)
I 1908 lykkedes det for den tyske kemiker Fritz Haber at fremstille ammoniak syntetisk ved at anvende luftens store indhold af dinitrogen (atmosfærisk luft indeholder 78 % N2). Metoden til at fremstille ammoniak udnytter den simplest tænkelige kemiske reaktion i den forbindelse: N 2 (g) + 3H 2 (g) → 2NH3 (g) Problemet med fremstillingen af ammoniak var at få fat i dihydrogen. I atmosfærisk luft er der ikke nok, så første trin i processen er at fremstille H2. Dette klarede Haber ved det, der blev kaldt for vandgasreaktionen. Første trin i vandgasreaktionen består i at lede vanddamp over glødende kul: COC(g) (s)++HH2 O (g)→ → CO CO2 (g) + H 2 (g) 2 O(g) Det dannede CO kan derpå reagere videre med vand (oxidation) og bl.a. danne mere dihydrogen: CO (g) + H 2 O (g) → CO 2 (g) + H 2 (g) På den måde kunne man skaffe de nødvendige store mængder dihydrogen til ammoniakfremstillingen. Det lykkedes Haber at få patent på metoden. Senere solgte han patentet til den tyske kemikaliekoncern BASF. Undersøger man ammoniakprocessen nærmere, for at se på, hvordan koncentrationen af de tre stoffer ændrer sig som funktion af tiden, vil man fx få følgende graf:
17
Kemisk
ligevægt
koncentration
N2
d 3d
NH3 H2
2d tid
Det første, man bør bemærke ved grafen, er, hvordan koncentrationen af dinitrogen og dihydrogen falder i starten. Vi vælger at se på en situation, hvor begyndelseskoncentrationerne af de to stoffer er lige stor. At der derefter er tale om fald i koncentrationerne, er ikke den store overraskelse, eftersom de to stoffer er reaktanter, men man ser også, at faldet i koncentration for dihydrogen er tre gange så stort som koncentrationsfaldet for dinitrogen. Med andre ord svarer forholdet i koncentrationsfald til stofmængdeforholdene fra reaktionsskemaet. Man kan også se, at stigningen i ammoniakkoncentration er dobbelt så stor som faldet i koncentration for dinitrogen, igen i overensstemmelse med stofmængdeforholdene fra reaktionsskemaet. På grafen kan man også se, at efter et stykke tid ændres koncentrationerne ikke mere, selvom ingen af reaktanterne ikke er opbrugte. Dette skyldes, at der her er tale om det, man kalder for en kemisk ligevægt. Ved en kemisk ligevægt skriver man reaktionsskemaet:
N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH3 (g)
Bemærk, at der anvendes en dobbeltpil (nogle gange omtales pilene som ”harpuner”). En dobbeltpil skal fortolkes således, at reaktionen forløber i begge retninger (jf. kapitlet om syrer og baser i bind 1). Et kemisk system er i ligevægt, når reaktionen går lige hurtigt i begge retninger.
∏
18
Man siger, at et kemisk system er i ligevægt, når der dannes lige så mange produkter, som der er produkter, der omdannes til reaktanter – altså når reaktionen forløber lige hurtigt i begge retninger. Man kan sammenligne dette fænomen med en skilift: Her transporteres der hele tiden folk op ad et bjerg, og på samme tid er der en række mennesker, som kører ned ad bjerget på ski. På den måde opstår der en balance, så der hele tiden er nogenlunde lige mange mennesker på toppen af bjerget, som der er i bunden af bjerget. Man snakker om, at der har indstillet sig en dynamisk ligevægt.
Kemisk
ligevægt
I tilfældet her betyder det, at samtidig med, at dinitrogen reagerer med dihydrogen og danner ammoniak, vil der også foregå en reaktion, hvor ammoniak dekomponerer (går i stykker) og danner dinitrogen og dihydrogen. Når ligevægten har indstillet sig, er reaktionshastigheden lige stor i begge retninger.
Reaktionsbrøk Reaktionsbrøk: n m N ⋅ M = Y a b A ⋅ B
Y
E ks em pe l 1. 2
N og M er stofferne på højre side af dobbeltpilen (reaktionsprodukterne). A og B er stofferne på venstre side (reaktanterne). n, m, a og b er stoffernes koefficienter i reaktionsskemaet. Reaktionsbrøken har symbolet Y.
Generelt kan reaktionsskemaet for en ligevægtsreaktion skrives: aA + bB + ... nN + mM + ... Når man har et sådant reaktionsskema, kan man opstille en reaktionsbrøk for ligevægtssystemet. I reaktionsbrøkens tæller skriver man den aktuelle koncentration af produkterne, opløftet i potenser svarende til de koefficienter, der står i reaktionsskemaet. De opløftede koncentrationer ganges med hinanden. På tilsvarende måde opskrives de aktuelle koncentrationer for reaktanterne i nævneren: n m N ⋅ M = Y a b A ⋅ B Bemærk: Reaktionsbrøken repræsenteres ofte med symbolet Y. Reaktionsbrøken for ammoniakligevægten kommer til at se ud på følgende måde: NH3
2
N 2 ⋅ H 2
3
= Y
Ved en række kemiske eksperimenter har man lavet målinger af de tre stoffers koncentration ved starten af eksperimentet samt ved ligevægt: 19
Kemisk
ligevægt
Start
Ligevægt −2
Y [M ]
N2 [M]
H2 [M]
NH3 [M]
N2 [M]
H2 [M]
NH3 [M]
0,25
0,65
0,00
0,17
0,41
0,16
2,2
0,35
1,10
0,00
0,19
0,63
0,31
2,1
0,65
0,95
0,00
0,49
0,47
0,32
2,0
0
0
0,70
0,20
0,60
0,30
2,1
0
0
0,42
0,14
0,41
0,14
2,0
Indsættes eksempelvis ligevægtskoncentrationerne for det første forsøg, får man: 2 2 NH3 ( 0, 16 M) −2 Y = = = 2, 2 M 3 3 0, 17 M ⋅ ( 0, 41 M) N 2 ⋅ H 2 På tilsvarende måde udregnes reaktionsbrøken for de andre ligevægte. Kigger man på resultaterne af forsøgene i eksemplet, kan man se, at der er en tendens til, at værdien af reaktionsbrøken er nogenlunde konstant. Afvigelserne skal findes i måleusikkerheden, som aldrig helt kan undgås, når man arbejder med naturvidenskabelige eksperimenter. Ligevægtskonstanten er værdien af reaktionsbrøken, når reaktionen er i kemisk ligevægt. Ligevægtskonstanten betegnes med K.
K
Konklusionen på forsøget er ret enkel: Når et system er i ligevægt, vil reaktionsbrøken antage den samme værdi, uanset hvilke koncentrationer de enkelte stoffer har, i det øjeblik reaktionen sættes i gang. Med andre ord er der tale om en konstant for ligevægtssystemet. Konstanten kaldes for ligevægtskonstanten. Et generelt ligevægtsudtryk kan derfor skrives: n
m
N ⋅ M Y = a b A ⋅ B
= K
I forskellige tabelværker (blandt andet DATABOG fysik kemi fra F&K Forlaget) kan man finde ligevægtskonstanter for en lang række reaktioner. Enheden på reaktionsbrøken er også værd at bemærke. Den bliver lidt underlig, hvilket skyldes de forskellige potenser, som de forskellige koncentrationer opløftes til. I tilfældet med ammoniakreaktionen kan enheden kaldes ”molær i minus anden”. Uden at komme nærmere ind på matematikken og potensregneregler skal det blot nævnes, at den generelle enhed kan skrives: M
20
n + m − a −b
Kemisk
ligevægt
Placering af ligevægten Størrelsen af ligevægtskonstanten fortæller noget om, hvorvidt en kemisk ligevægt er forskudt mod højre eller mod venstre. Hvis der er meget af produkterne, når reaktionen er i ligevægt, siger man, at ligevægten er placeret mod højre – og omvendt.
Hvis man har en stor ligevægtskonstant, betyder det, at brøken er stor. En stor værdi for en brøk skyldes, at værdien i tælleren er meget større end værdien i nævneren. I reaktionsbrøken står produkternes koncentrationer øverst i brøken, og reaktanternes koncentration står nederst. Med andre ord er der meget mere af stofferne i tælleren end af stofferne i nævneren, når værdien af reaktionsbrøken er stor. I dette tilfælde siger man, at ligevægten ligger langt til højre. Det omvendte ville være tilfældet ved en lille K-værdi. Reaktant
Overvægt af produkt giver stor K.
Reaktant
Produkt
K
K
Produkt
K
K
Der er ikke nogle regler, der fortæller, i hvilken rækkefølge stofferne i en kemisk ligevægt skal opskrives. Det betyder, at det generelle udtryk fra før lige så godt kunne skrives med højre og venstre side byttet om: nN + mM + ... aA + bB + ...
Hvis en ligevægtsreaktion skrives i omvendt rækkefølge, vil ligevægtskonstanten blive den reciprokke værdi.
Skriver man reaktionen op på denne måde, vil reaktionsbrøken komme til at vende på hovedet. a
b
A ⋅ B ⋅ ... 1 K ′ = m n = K M ⋅ N ⋅ ...
Op gav e 1 .1
Derfor er det vigtigt, når man finder ligevægtskonstanter i tabeller, at man ved, i hvilken rækkefølge stofferne i reaktionen er opskrevet. Opstil reaktionsbrøken for hver af de følgende ligevægte: a) CO(g) + NO 2 (g) CO 2 (g) + NO(g) b) 2N 2 O5 (g)
O2 (g) + 4NO 2 (g) 21
ligevægt
Opga ve 1 .2
Kemisk
Ved et kemisk ekperiment har man stoffet dinitrogentetraoxid lukket inde i en beholder med volumen på 1 L. Beholderen opvarmes til 100 °C, og herved indstiller følgende ligevægt sig: N 2 O4 (g) 2NO 2 (g) Undervejs i forsøget har man målt koncentrationen af de to stoffer, der indgår i ligevægten: tid [s]
0
20
40
60
80
100
[N2O4] [M]
0,100
0,070
0,050
0,040
0,040
0,040
[NO2] [M]
0,000
0,060
0,100
0,120
0,120
0,120
a) Hvad er ligevægtskoncentrationen af hver af de to stoffer?
Opgave 1.3
b) Bestem ligevægtskonstanten ved 100 °C.
Dimethylether (DME) er en gas, der ventes at få stor betydning fremover. Den kan anvendes som brændstof i dieselmotorer og genererer meget lidt sod og nitrøse gasser i forhold til almindelig dieselolie. Desuden kan DME bruges som hydrogenkilde i brændselsceller, fordi den er nemmere at håndtere end dihydrogen på gasform og har et stort indhold af hydrogen i forhold til rumfanget. Stoffet kan fremstilles i både stor og lille skala ud fra stoffet methanol: 2CH3OH (l) H 2 O (l) + CH3OCH3 ( g) Processen kan som nævnt udføres i et laboratorium. Ved et eksperiment foretaget ved stuetemperatur er følgende koncentrationer af stofferne blevet målt: t [min] [CH3OH] [M]
0
3
6
10
15
1,00
0,70
0,38
0,10
0,10
[H2O] [M]
0,00
0,15
0,31
0,45
0,45
[CH3OCH3] [M]
0,00
0,15
0,31
0,45
0,45
a) Efter hvor lang tid er systemet i ligevægt? b) Beregn ligevægtskonstanten. c) Hvad fortæller ligevægtskonstanten om ligevægtens placering?
22
Opga ve 1 .4
Kemisk
ligevægt
Ved temperaturen 25 °C har ligevægten
2ICl(g) I 2 (g) + Cl 2 (g) −6
ligevægtskonstanten 4,8·10 .
O pgav e 1. 5
Hvad bliver værdien af ligevægtskonstanten, hvis reaktionen skrives i omvendt rækkefølge?
En beholder har en volumen på 400 mL. Beholderen indeholder ved ligevægt 0,040 mol SO2, 0,060 mol O2 samt 0,12 mol SO3.
a) Opstil reaktionsskemaet for ligevægten.
b) Bestem ligevægtskonstanten for reaktionen.
Le Chateliers princip – indgreb i ligevægtssystemet Set med økonomiske briller er det ikke så heldigt, at en kemisk reaktion ikke forløber til ende, men at der indstiller sig en ligevægt, hvor der stadig er noget tilbage af reaktanterne. Det ville selvfølgelig være optimalt, hvis alt det reagerende stof blev omdannet til det produkt, man ønsker at fremstille. Når der er stof, som ikke omdannes, betyder det jo, at man som virksomhed mister fortjeneste. Der er flere faktorer, der har betydning for størrelsen af ligevægtskonstanten og dermed for placeringen af ligevægten. Derfor arbejdes der meget på at optimere kemiske processer ved at lave forskellige indgreb, der kan ændre placeringen af en ligevægt i en økonomisk fordelagtig retning.
(Foto: BASF)
23
Kemisk
ligevægt
Når man taler om, at der laves et indgreb på et ligevægtssystem, menes der, at der foretages en ændring af nogle af de faktorer, der bestemmer forholdet mellem koncentrationen af stofferne på højre og venstre side (altså reaktionsbrøken): Et eller flere af stoffernes koncentration eller systemets fysiske betingelser (tryk og temperatur). I det kommende ses der nærmere på forskellige typer af indgreb og på, hvilke konsekvenser det pågældende indgreb får for ligevægten. Der har gennem tiderne været forsket meget i netop ligevægte. En af pionererne var en franskmand ved navn Henry Louis Le Chatelier (18501936). Le Chatelier gennemskuede, hvorledes man kan forudsige virkningen af et indgreb, hvilket i 1884 resulterede i det, der i dag kendes som Le Chateliers princip:
Le Chateliers princip Ved et indgreb i et ligevægtssystem vil systemet forskyde sig, således at virkningen af indgrebet mindskes.
”Ved et indgreb i et ligevægtssystem vil systemet forskyde sig, således at virkningen af indgrebet mindskes.”
Le Chateliers princip lyder måske en smule snørklet i første omgang, men i bund og grund siger princippet, at hvis man laver et indgreb, så forsøger systemet at gøre det modsatte, altså en slags ”Rasmus Modsat”-princip.
E k se mp e l 1 . 3
Tilsætning af stof På DAKA Biodiesel omdanner man fedtstof fra slagteriaffald til brændstof. Ved processen omdannes fedtstof til en såkaldt ester (FAME = fatty acid methylester) ved en reaktion med methanol. Et forsimplet reaktionsskema kan skrives:
R
C
O
O
+ H3C OH R OH
C O CH3 + H2O
Ved processen, hvor der fremstilles biodiesel, tilsætter man løbende mere og mere af reaktanterne. I forbindelse med tilsætning af methanol kan man være interesseret i at se, hvordan stoffernes koncentration ændres som følge af denne tilsætning. På figuren herunder ses, hvorledes koncentrationen af fedtstof, methanol og ester (biodiesel) ændres som funktion af tiden:
24
Kemisk
ligevægt
koncentration
Ester
Methanol Fedtstof Ligevægt
Ligevægt
tid
Tilsætning af methanol
På grafen kan man se, at koncentrationen af methanol vokser som følge af indgrebet (tilsætning af stof kaldes også et indgreb). Det næste, der sker, er, at systemet begynder at ”svare igen” på indgrebet. Ifølge Le Chateliers princip vil systemet efter indgrebet forsøge på at mindske virkningen af dette indgreb. Med andre ord: Systemet vil forsøge at fjerne det methanol (eller noget af det), der blev tilsat. Den eneste måde, som det kemiske system kan fjerne methanol på, er ved at lade stoffet reagere med fedtstof. På den måde mindskes begge stoffers koncentration, hvilket også ses på grafen. I forbindelse med at de to stoffer reagerer med hinanden, dannes der ester, hvorfor koncentrationen af dette stof vokser (se grafen). Systemets svar på indgrebet skal forstås ved, at i det øjeblik, der er tilsat noget methanol, bliver reaktionshastigheden mod højre større end hastigheden mod venstre, fordi der forbruges mere af de to reaktanter, end der dannes af disse stoffer fra produkterne. De tre stoffers koncentrationer henholdsvis falder, falder og stiger, til der igen er ligevægt. Ligevægtstilstanden indtræffer, når koncentrationen af de tre stoffer medfører, at reaktionsbrøken atter er lig med ligevægtskonstanten. Som følge af indgrebet svarer systemet tilbage ved at lave en forskydning mod højre.
Methanol bliver brugt som frostvæske.
Man kan også se tingene fra en mere matematisk vinkel ved at se på reaktionsbrøken: ester ⋅ H 2 O = Y methanol ⋅ fedtstof Inden der tilsættes stof, var systemet i ligevægt, hvilket betyder, at Y = K. Hvis der tilsættes noget mere methanol, vil koncentrationen af methanol stige. Hvis koncentrationen af et stof i nævneren stiger, betyder det, at brøkens værdi mindskes (man kan sige, at der bliver flere om at dele). Herefter vil ligevægtssystemet genskabe en balance, så Y igen bliver lig med K. Dette kan lade sig gøre ved at gøre koncentrationen af stofferne i nævneren (reaktanterne) mindre og samtidig gøre koncentrationen af stofferne i tælleren (produkterne) større. Dette svarer (stadigvæk) til en forskydning af ligevægten mod højre. 25
Anvendt kemi 2 Anvendt kemi 2 er andet bind i Anvendt kemi-serien. Bogen dækker B-niveauet og arbejder målrettet med det, der karakteriserer den anvendte kemi: De materialer, den produktion og de kemiske teknologier, der er væsentlige i det moderne samfund. Anvendt kemi 2 behandler kemisk ligevægt, reaktionshastighed, syntese og analyse samt organiske stoffer med oxygen og nitrogen. Opgaver og eksempler er integreret i teksten, og en række cases perspektiverer kernestoffet. Bogen er skrevet i et letlæseligt sprog uden at gå på kompromis med fagligheden. Serien er oprindeligt skrevet til det tekniske gymnasium, HTX, men er efterfølgende tilpasset de andre gymnasiale uddannelser. Forfatteren underviser på HTX samt HF (VUC) i Horsens, og materialet til bogen er testet i undervisningen på begge uddannelser.