Chemisch evenwicht (Scheikunde vwo), les 1: Uitleg

• newEditor
• Scheikunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 4-6

Introduction

Uitleg in 22 dia's over chemisch evenwicht voor vwo: omkeerbare en aflopende reacties, het dynamische evenwicht, de concentratiebreuk Q, de evenwichtsvoorwaarde Q = K, verschuiving door concentratie, volume en temperatuur, en de katalysator. Met twee animaties, controlevragen en een exit. Rekenen aan evenwichten staat in een apart onderwerp.

Oplossingen van kobaltverbindingen: roze, blauw en groen (publiek domein)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · EVENWICHT

Chemisch evenwicht

Examenstof scheikunde vwo

Les 1 van 3: uitleg. Les 2 is de examentraining, les 3 de terugblik met quiz. Syllabus: R4.1-R4.3, R&A1.6. Image credit: Chemicalinterest / Wikimedia Commons, publiek domein

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · EVENWICHT

Wat ga je kunnen?

Ik kan een evenwichtsvoorwaarde opstellen, Q met K vergelijken en een verschuiving of de rol van een katalysator verklaren.

Wat bedoel je met 'in evenwicht' in het dagelijks leven?

Verwacht: balans, even zwaar, fietsen op een plek, niets verandert. Haal de woorden eruit die terugkomen: evenwicht, gelijk, constant, blijft bewegen. Laat leerlingen merken dat evenwicht (bijvoorbeeld op een fiets of in een rij die even snel instroomt als uitstroomt) niet stilstand hoeft te zijn: dat is het dynamische evenwicht. Veelgemaakte misvatting: evenwicht in de scheikunde is stilstand. Syllabus R4.1.

Oplossingen van kobaltverbindingen: roze, blauw en groen (publiek domein)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · EVENWICHT

Aflopend of omkeerbaar?

• Een aflopende reactie gaat door tot een beginstof op is; je schrijft →.

• Een omkeerbare reactie verloopt heen en terug; je schrijft ⇌.

• Roze Co(H₂O)₆²⁺ en blauw CoCl₄²⁻ gaan in elkaar over: Co(H₂O)₆²⁺ + 4 Cl⁻ ⇌ CoCl₄²⁻ + 6 H₂O.

• Bij een omkeerbare reactie zijn beginstoffen en producten tegelijk aanwezig.

Syllabus R4.1: begrippen aflopende reactie, omkeerbare reactie en evenwicht gebruiken bij het beschrijven van chemische processen. Nagerekend: Co(H₂O)₆²⁺ + 4 Cl⁻ links Co 1, Cl 4, H 12, O 6, lading 2+ + 4− = 2−; rechts CoCl₄²⁻ + 6 H₂O: Co 1, Cl 4, H 12, O 6, lading 2−. De foto is context: de roze en de blauwe buis horen bij de twee kobaltdeeltjes uit de vergelijking; de groene buis hoort niet bij dit evenwicht. Kobaltdeeltjes hoeven leerlingen niet te kennen; op het examen staat zo'n vergelijking in de opgave. Verbinding met de les Reactievergelijkingen en soorten: daar zijn esterhydrolyse en omestering met ⇌ geschreven; de terugreactie van de estervorming is de esterhydrolyse. Veelgemaakte fout: denken dat een omkeerbare reactie afwisselend heen en terug gaat; beide reacties lopen tegelijk. Kijkvraag bij de foto: welke kleur hoort bij welk kobaltdeeltje? Image credit: Chemicalinterest / Wikimedia Commons, publiek domein

Animatie: A ⇌ B met 30 deeltjes; heen- en terugreactie komen in evenwicht (eigen animatie)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · EVENWICHT

Een dynamisch evenwicht

• Bij de start is er alleen A: de heenreactie A → B is snel, de terugreactie B → A bestaat nog niet.

• Naarmate [B] stijgt, wordt de terugreactie sneller en de heenreactie langzamer.

• Bij evenwicht zijn de snelheden gelijk: [A] en [B] veranderen niet meer.

• Het evenwicht is dynamisch: beide reacties gaan door, de deeltjes wisselen steeds van soort.

Syllabus R4.1: begrip evenwicht. Animatie: 30 deeltjes, A ⇌ B met een snelheidsconstante voor de heenreactie van 0,4 s⁻¹ en voor de terugreactie van 0,2 s⁻¹. Nagerekend: in evenwicht is 0,4 × [A] = 0,2 × [B], dus [B] = 2 × [A]: 10 deeltjes A en 20 deeltjes B, heen 4,0 per s en terug 4,0 per s. Aan het begin is de heensnelheid 0,4 × 30 = 12,0 per s. Kijkvraag: wat zie je gebeuren met de aantallen als het evenwicht er is, en wat gebeurt er dan nog wel met de deeltjes? Veelgemaakte fout: 'in evenwicht is er evenveel A als B'; hier is er twee keer zoveel B en toch evenwicht. De dynamische aard past bij een gesloten systeem. Image credit: Eigen animatie

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · EVENWICHT

Wanneer is er evenwicht?

• Evenwicht stelt zich alleen in een gesloten systeem in: er verdwijnt geen stof en er komt geen stof bij.

• De insteltijd is de tijd die het duurt voordat het evenwicht is bereikt.

• De ligging van het evenwicht zegt hoeveel producten er zijn: veel producten, dan ligt het evenwicht rechts.

• Je bereikt hetzelfde evenwicht vanuit de beginstoffen en vanuit de producten, bij dezelfde temperatuur.

Syllabus R4.1 (evenwicht) en R4.3 (insteltijd en ligging van een evenwicht). 'Gesloten systeem' is hier een omschrijving, geen syllabusbegrip: bij een open systeem verdwijnt bijvoorbeeld een gas en kan zich geen evenwicht instellen. Het laatste punt geldt bij gelijke totale hoeveelheden atomen: de verhouding tussen de stoffen is dan hetzelfde. Veelgemaakte fout: insteltijd en reactiesnelheid door elkaar halen; de insteltijd is hoe lang het duurt tot evenwicht, de reactiesnelheid is hoe snel een stof verdwijnt of ontstaat. Verband met de volgende dia's: de ligging wordt uitgedrukt met K.

Wat zegt het teken ⇌ in een reactievergelijking?

A

De reactie verloopt alleen van links naar rechts

B

Er is altijd evenveel van elke stof aanwezig

C

Heen- en terugreactie kunnen allebei verlopen

D

De reactie is aflopend en verloopt twee keer

Syllabus R4.1: omkeerbare reactie. Verwachte fout: ⇌ lezen als 'evenveel links als rechts'; het zegt alleen dat de reactie in beide richtingen kan verlopen.

Vul in

Bij een dynamisch evenwicht is de snelheid van de heenreactie gelijk aan die van de terugreactie; de concentraties zijn dan constant, ook al verlopen beide reacties door.

snelheid

terugreactie

constant

verschillend

gestopt

Syllabus R4.1. Gaten: snelheid, terugreactie, constant. Verwachte fout: 'gestopt' kiezen, terwijl de reacties doorgaan.

Model van een fabriek voor de synthese van ammoniak, Verenigde Staten (publiek domein)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · EVENWICHT

De concentratiebreuk Q

• Voor N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g) is de concentratiebreuk Q = [NH₃]² / ([N₂][H₂]³).

• Boven staan de producten, onder de beginstoffen; [ ] is de concentratie in mol L⁻¹.

• Elke concentratie staat tot de macht van de coëfficiënt uit de reactievergelijking.

• Q kun je op elk moment berekenen, ook als het systeem nog niet in evenwicht is.

Syllabus R&A1.6: concentratiebreuk Q. Nagerekend: N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃: N 2 = 2, H 6 = 6, klopt. De coëfficiënt van NH₃ is 2 en die van H₂ is 3, dus de machten zijn 2 en 3; N₂ heeft coëfficiënt 1 en krijgt geen macht. De foto toont een model van een fabriek voor kunstmatige ammoniak; de reactie is de basis van kunstmest. Veelgemaakte fouten: de coëfficiënt als factor voor de concentratie zetten (3[H₂] in plaats van [H₂]³) en de breuk omdraaien (beginstoffen boven). Image credit: Fixed Nitrogen Research Laboratory (DPLA) / Wikimedia Commons, publiek domein

Druipsteen in een grot op Mallorca (foto: Killarnee, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · EVENWICHT

Wat staat er wel in Q?

• Gassen en opgeloste stoffen staan in Q; zuivere vaste stoffen en water als oplosmiddel niet.

• CaCO₃(s) + CO₂(g) + H₂O(l) ⇌ Ca²⁺(aq) + 2 HCO₃⁻(aq) geeft Q = [Ca²⁺][HCO₃⁻]² / [CO₂].

• Bij een estervorming zonder oplosmiddel is water een product naast de andere stoffen: dan staat [H₂O] wel in Q.

Syllabus R&A1.6: voor een gegeven evenwicht de evenwichtsvoorwaarde geven. Nagerekend: CaCO₃ + CO₂ + H₂O: Ca 1, C 2, O 3 + 2 + 1 = 6, H 2; rechts Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻: Ca 1, C 2, O 6, H 2, lading 2+ + 2− = 0. Een zuivere vaste stof heeft een vaste 'concentratie' (dichtheid) en verandert Q niet. Water als oplosmiddel is in grote overmaat aanwezig. Aanname in deze les: de estervorming CH₃COOH + C₂H₅OH ⇌ CH₃COOC₂H₅ + H₂O verloopt in een mengsel van zuur en alcohol zonder water als oplosmiddel; water is dan een product in vergelijkbare hoeveelheid als de ester en staat wel in Q. In een waterige oplossing (zoals bij NH₃ + H₂O of het kalkevenwicht) is water oplosmiddel en staat het er niet in, ook al reageert het mee. Veelgemaakte fout: [CaCO₃] of [H₂O] in Q zetten. Kijkvraag bij de foto: kalk in de druipsteen komt uit dit evenwicht; waarom ontstaat het als CO₂ uit het water ontsnapt? Dat kom je bij de training tegen. Image credit: Killarnee / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · EVENWICHT

Evenwichtsvoorwaarde: Q = K

• Bij evenwicht is Q gelijk aan de evenwichtsconstante K: de evenwichtsvoorwaarde Q = K.

• K heeft bij een bepaalde temperatuur één vaste waarde, met welke concentraties je ook begint.

• Q < K: te weinig producten, de heenreactie verloopt. Q > K: te veel producten, de terugreactie verloopt.

• Ester, K = 4,0: bij 0,50 mol L⁻¹ zuur en alcohol en 0,80 mol L⁻¹ ester en water is Q = 2,6, dus de heenreactie verloopt.

• Grote K: het evenwicht ligt rechts, veel producten. Kleine K: het ligt links, veel beginstoffen.

Syllabus R&A1.6 (Q, K, K = Q bij evenwicht) en R4.3 (ligging). Nagerekend voor de ester CH₃COOH + C₂H₅OH ⇌ CH₃COOC₂H₅ + H₂O: Q = (0,80 × 0,80) / (0,50 × 0,50) = 0,64 / 0,25 = 2,56, afgerond 2,6; K = 4,0 is een gegeven in dit voorbeeld. Q < K dus de heenreactie verloopt (de ester wordt meer). Het hier gegeven getal K is een opgavegegeven; op het examen staat K in de vraag of in Binas. De eenheid van K wordt hier niet behandeld. Verband: de hydrolyse van de ester is de terugreactie en staat in de les Reactievergelijkingen en soorten. Veelgemaakte fout: Q en K omdraaien (producten onder) of Q > K lezen als 'de heenreactie verloopt'. Rekenen aan evenwichten (tabel, K uit concentraties) is een apart onderwerp.

Welke Q hoort bij 2 NO(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO₂(g)?

A

[NO₂]² / ([NO]²[O₂])

B

[NO]²[O₂] / [NO₂]²

C

[NO₂]² / ([NO][O₂])

D

2[NO₂] / (2[NO][O₂])

Syllabus R&A1.6. Nagerekend: N 2 = 2, O 2 + 2 = 4 = 4, klopt. Coëfficiënten worden machten: [NO₂]², [NO]², [O₂]. Verwachte fouten: breuk omgedraaid, de macht bij NO vergeten, coëfficiënten als factor gebruiken.

Geef Q: NH₃(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq)

Goed antwoord: Q = [NH₄⁺][OH⁻] / [NH₃]. Nagerekend: N 1, H 5 = 5, O 1 = 1, lading 0 = 1+ + 1−, klopt. Water is hier oplosmiddel en staat niet in Q. Verwachte fout: [H₂O] in de noemer zetten. Syllabus R&A1.6.

Animatie: extra A erbij, Q wordt kleiner dan K en het evenwicht verschuift (eigen animatie)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · EVENWICHT

Een concentratie verandert

• Voeg je extra A toe, dan wordt [B] / [A] kleiner: Q is kleiner dan K (hier 0,50 tegen 2,00).

• De heenreactie verloopt: het evenwicht verschuift naar rechts, tot Q weer gelijk is aan K.

• K blijft gelijk; het nieuwe evenwicht heeft andere concentraties: hier [A] = 2,0 en [B] = 4,0 mol L⁻¹.

• Haal je B weg, dan is Q ook kleiner dan K en verschuift het evenwicht ook naar rechts.

Syllabus R4.2: verschuiving verklaren met een verandering in de concentratiebreuk. Animatie A ⇌ B met K = [B]/[A] = 2,00; eerst evenwicht met [A] = 1,0 en [B] = 2,0 mol L⁻¹ (totaal 3,0). Daarna wordt 3,0 mol L⁻¹ A toegevoegd: [A] = 4,0, [B] = 2,0, Q = 0,50. Nieuw evenwicht: totaal 6,0, [A] = 2,0, [B] = 4,0, Q = 2,00. In boeken heet dit het principe van Le Chatelier; op het examen verklaar je het met Q en K. Veelgemaakte fout: 'het evenwicht heft de verstoring niet helemaal op' is geen verklaring; reken met Q. Kijkvraag: wat doet Q op het moment van toevoegen, en wat doet K? Image credit: Eigen animatie

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · EVENWICHT

Volume en temperatuur

• Bij een gasmengsel veranderen alle concentraties met dezelfde factor als het volume verandert; bereken dan wat Q doet.

• N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃, volume gehalveerd: elke concentratie wordt 2 keer zo groot, Q wordt 4 keer zo klein, dus Q < K.

• Verandert de temperatuur, dan verandert K zelf. Of K groter of kleiner wordt, staat in de opgave of in een tabel.

• Q is dan niet meer gelijk aan K: het evenwicht verschuift tot Q gelijk is aan de nieuwe K.

• Kobaltvoorbeeld: meer Cl⁻ maakt Q kleiner dan K en de oplossing blauw; verdunnen met water maakt Q groter dan K en roze.

Syllabus R4.2: verandering in de concentratiebreuk en in de evenwichtsconstante. Nagerekend voor de ammoniaksynthese: Q = [NH₃]² / ([N₂][H₂]³); alle concentraties × 2 geeft 2² / (2 × 2³) = 4/16 = 1/4 van Q. Q < K, dus de heenreactie verloopt en er ontstaat meer NH₃. Kobaltevenwicht Co(H₂O)₆²⁺ + 4 Cl⁻ ⇌ CoCl₄²⁻ + 6 H₂O met Q = [CoCl₄²⁻] / ([Co(H₂O)₆²⁺][Cl⁻]⁴): meer Cl⁻ maakt de noemer groter, Q kleiner. Verdunnen met een factor 2 geeft Q × 16 (teller ÷ 2, noemer ÷ 2 × 2⁴ = ÷ 32), dus Q > K en verschuiving naar links (roze). K verandert alleen door de temperatuur, niet door concentratie of volume. Of K bij hogere temperatuur groter of kleiner wordt, hangt af van de reactie; in examenvragen staat dat in de gegevens. Veelgemaakte fout: denken dat K verandert als je een stof toevoegt.

Binnenkant van een katalysator uit een auto: een keramische honingraat (foto: Cyrogigabyte, CC0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · EVENWICHT

De katalysator

• Een katalysator versnelt de heenreactie en de terugreactie even sterk.

• De reactiesnelheid wordt groter en de insteltijd korter: het evenwicht wordt eerder bereikt.

• K en de ligging van het evenwicht blijven gelijk: er komt niet meer product in evenwicht.

• Q is bij het toevoegen niet veranderd, dus een katalysator veroorzaakt geen verschuiving.

Syllabus R4.3: invloed van een katalysator op insteltijd, ligging en reactiesnelheid. De foto toont de binnenkant van een katalysator uit een auto: een keramische honingraat met een groot oppervlak waarop een edelmetaal als katalysator zit. In de uitlaat gaat het om het versnellen van reacties; de principes uit deze dia gelden ook daar. Veelgemaakte fout: 'een katalysator geeft een hoger rendement in evenwicht'. Hij verkort alleen de tijd tot evenwicht omdat heen en terug even veel sneller gaan. Kijkvraag: waarom veranderen K en de ligging niet? Image credit: Cyrogigabyte / Wikimedia Commons, CC0

Zet de stappen na een verstoring in volgorde

1

De heenreactie of terugreactie verloopt

2

Je voegt een beginstof toe

3

Er is weer een evenwicht, Q = K

4

Q is niet meer gelijk aan K

5

Het evenwicht is ingesteld, Q = K

Syllabus R4.2. Juiste volgorde: evenwicht (Q = K), verstoring, Q ≠ K, reactie in een richting, nieuw evenwicht (Q = K). Verwachte fout: 'Q ≠ K' vóór de verstoring zetten, of de laatste twee stappen omdraaien. Bij elk item staat een andere zin; ze zijn uniek.

Vul in

Een katalysator verkort de insteltijd, maar verandert de ligging van het evenwicht en de waarde van K niet, omdat hij beide reacties even veel versnelt.

insteltijd

ligging

K

reactiesnelheid

Q

Syllabus R4.3. Gaten: insteltijd, ligging, K. Verwachte fout: 'ligging' en 'insteltijd' verwisselen.

Welk onderdeel was voor jou het lastigst?

1

Omkeerbaar en dynamisch evenwicht

2

Q opstellen: wat staat erin

3

Q en K vergelijken

4

Verschuiving en katalysator

Gebruik de uitslag om les 2 te starten: begin bij het onderdeel met de meeste stemmen.

Waarom verschuift een evenwicht bij extra beginstof?

Een goed antwoord: door de extra beginstof is Q kleiner dan K; de heenreactie verloopt tot Q weer gelijk is aan K (K blijft gelijk). Verwachte fout: zeggen dat het evenwicht 'de verstoring tegengaat' zonder Q en K, of dat K verandert.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · EVENWICHT

Begrippen (1/2)

• omkeerbare reactie: Reactie die heen en terug kan verlopen, geschreven met ⇌.

• aflopende reactie: Reactie die doorgaat tot een van de beginstoffen op is, geschreven met →.

• dynamisch evenwicht: Toestand waarin heen- en terugreactie even snel verlopen en de concentraties constant zijn.

• concentratiebreuk: Q: producten boven, beginstoffen onder, elke concentratie tot de macht van de coëfficiënt.

• evenwichtsconstante: K: de waarde van Q bij evenwicht; hangt alleen van de temperatuur af.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · EVENWICHT

Begrippen (2/2)

• evenwichtsvoorwaarde: Q = K: de voorwaarde waaraan de concentraties in evenwicht voldoen.

• ligging van het evenwicht: Of er in evenwicht veel producten (rechts) of veel beginstoffen (links) zijn.

• verschuiving: Het evenwicht verandert door Q ≠ K: de heen- of terugreactie verloopt tot Q = K.

• insteltijd: De tijd die het duurt tot het evenwicht is bereikt.

• katalysator: Stof die heen- en terugreactie even sterk versnelt; K en ligging blijven gelijk.