Les 6.1 Chemisch evenwicht

• Scheikunde
• Middelbare school
• havo
• Leerjaar 4

Les 6.1 Chemisch evenwicht

Planning

• Afspraken voor het laatste hoofdstuk
• Les 6.1 Chemisch evenwicht
• Maken opgaven
• Nakijken opgaven

Leerdoel 6.1 Chemisch evenwicht

Je kunt de begrippen aflopende reactie, omkeerbare reactie en evenwicht gebruiken om chemische processen te beschrijven.

aflopende reactie

• Aflopende reactie: stopt wanneer een/de beginstof(en) op is/zijn. 
• Vaak onomkeerbaar: de reactie kan maar één kant op verlopen.
• Bv. verbranding van de meeste (fossiele) brandstoffen. 

Omkeerbare reacties

• Omkeerbare reactie: De beginstoffen van de ene reactie zijn de reactieproducten van de andere reactie en andersom. De reactie kan dan twee kanten op verlopen.
• Na⁺(aq) + CH₃COO⁻(aq) + 3 H₂O(l) → NaCH₃COO∙3H₂O(s) exotherm
• Metalen plaatje knakken = genoeg acitveringsenergie
• NaCH₃COO∙3H₂O(s) → Na⁺(aq) + CH₃COO⁻(aq) + 3 H₂O(l) endotherm

Evenwichten

Wat is een chemisch evenwicht?

• Een chemisch evenwicht ontstaat bij een omkeerbare reactie.
• Heengaande en teruggaande reactie verlopen tegelijk.
• In evenwicht: beide reacties verlopen met gelijke snelheid.

Kenmerken van een chemisch evenwicht

• Concentraties van stoffen blijven constant (op macroniveau).
• Reacties blijven doorgaan (op microniveau): dynamisch evenwicht.
• Wordt weergegeven met een dubbele pijl ⇄.

Insteltijd (ti)

Tijd die nodig is om het evenwicht te bereiken.

Na ti: reactiesnelheid heengaand = reactiesnelheid teruggaand.

Voorbeeld: Synthese van ammoniak (Haberproces)

Reactie: N₂(g) + 3 H₂(g) ⇄ 2 NH₃(g)

Vindt plaats onder hoge druk en hoge temperatuur (± 450 °C).

Ammoniakvorming (heengaand) ↔️ Ammoniakontleding (teruggaand).

Laat maar weten als je er ook visuals, animaties of grafieken bij wil (zoals een reactiesnelheid-grafiek), dan kan ik die ook voor je maken!

Je zei:

In een gesloten blikje met een koolzuurhoudende frisdrank bevindt zich boven de vloeistof koolstofdioxide onder flinke druk. Dit koolstofdioxidegas is bij een constante temperatuur in evenwicht met het koolstofdioxide dat in de drank is opgelost:

CO2(g) ⇄ CO2(aq)

Door de hoge druk lost er meer CO2 op in de frisdrank. Wanneer je het blikje openmaakt (figuur 3), komt het CO2 weer vrij uit de frisdrank. De belletjes die daarbij ontstaan, zorgen voor het prikkelend gevoel op je tong.

Dit is een voorbeeld van een verdelingsevenwicht: een stof heeft zich verdeeld over twee fasen, in dit geval de gasfase en de oplossing. Omdat er geen reacties verlopen, is een verdelingsevenwicht geen chemisch evenwicht. Maar er ontstaat wel een dynamisch evenwicht.

Een ander soort verdelingsevenwicht bestaat wanneer een stof zich verdeelt over twee niet-mengbare vloeistoffen. Jood is een hydrofobe stof en lost slecht op in water, maar goed in de hydrofobe vloeistof wasbenzine. Als je deze twee oplosmiddelen boven elkaar in een reageerbuis doet, mengen water en wasbenzine niet. Wel kan er uitwisseling van jood plaatsvinden op het grensvlak tussen deze twee oplosmiddelen:

I2(aq) ⇄ I2(wasbenzine)

Begin je met jood opgelost in water, I2(aq), en voeg je daar wasbenzine zonder jood aan toe, dan vindt in het begin alleen uitwisseling plaats van jood uit de waterlaag naar de benzinelaag (figuur 4). Daardoor daalt de [I2(aq)] en stijgt de [I2(benzine)]. Dit stijgen en dalen gaat door totdat beide uitwisselingen met dezelfde snelheid plaatsvinden en het verdelingsevenwicht is bereikt. Je kunt dat op macroniveau zien, omdat de kleuren van de beide vloeistoflagen niet meer veranderen. Op microniveau gaan er dan per seconde evenveel I2-moleculen van de waterlaag naar de benzinelaag als omgekeerd (figuur 5).

ChatGPT zei:

Natuurlijk! Hieronder heb ik de belangrijkste punten uit deze tekst in bulletpoints gezet, speciaal geschikt voor gebruik in een PowerPoint over verdelingsevenwicht:

Verdelingsevenwicht: CO₂ in frisdrank

Voorbeeld: gesloten blikje koolzuurhoudende frisdrank.

Evenwicht tussen:

CO₂(g) ⇄ CO₂(aq)

Onder hoge druk: meer CO₂ lost op in de vloeistof.

Bij openen blikje: druk daalt → CO₂ komt vrij als belletjes.

Dit evenwicht is dynamisch, maar géén chemisch evenwicht (geen reactie).

Wat is een verdelingsevenwicht?

Een stof verdeelt zich over twee fasen.

Kan zijn tussen:

Gasfase en vloeistof (zoals CO₂).

Twee niet-mengbare vloeistoffen (zoals jood in water en wasbenzine).

Zolang de uitwisseling met gelijke snelheid verloopt → dynamisch evenwicht.

Geen chemische reactie, maar wel voortdurend molecuultransport.

Voorbeeld: Jood in water en wasbenzine

Jood (I₂) is hydrofoob:

Slecht oplosbaar in water.

Goed oplosbaar in wasbenzine.

Evenwicht:

I₂(aq) ⇄ I₂(wasbenzine)

I₂-moleculen bewegen tussen beide vloeistoffen.

Evenwicht bereikt wanneer kleur van beide lagen constant blijft (macroniveau).

Op microniveau: net zoveel jood de ene kant op als de andere kant op per seconde.

Laat maar weten als je er een visueel schema of illustratie bij wilt (zoals een reageerbuis met twee lagen), dan maak ik dat graag voor je!

Evenwichten (2)

• Insteltijd (t_i): Tijd die nodig is om het evenwicht te bereiken.
• Na t_i: reactiesnelheid heengaand = reactiesnelheid teruggaand.

Voorbeeld: Synthese van ammoniak (Haberproces)

• Reactie: N₂(g) + 3 H₂(g) ⇄ 2 NH₃(g)
• Vindt plaats onder hoge druk en hoge temperatuur (± 450 °C).
• Ammoniakvorming (heengaand) ⇄ Ammoniakontleding (teruggaand).

Voorbeeldopdracht 1

Door waterstof en chloor met elkaar te laten reageren, ontstaat het gasvormige waterstofchloride. Na verloop van tijd heeft zich een chemisch evenwicht ingesteld.
Geef de reactievergelijking van het ontstaan van dit evenwicht.

• Uitwerking
  
• Er stelt zich een chemisch evenwicht in, dus je gebruikt een dubbele pijl:
• H₂(g) + Cl₂(g) ⇄ 2 HCl(g)

Verdelingsevenwicht voorbeeld

• Verdelingsevenwicht:  Voorbeeld: gesloten blikje koolzuurhoudende frisdrank.
• Evenwicht tussen: CO₂(g) ⇄ CO₂(aq)
• Onder hoge druk: meer CO₂ lost op in de vloeistof.
• Bij openen blikje: druk daalt → CO₂ komt vrij als belletjes.
• Dit evenwicht is dynamisch, maar géén chemisch evenwicht (geen reactie). 

Verdelingsevenwicht voorbeeld

Voorbeeld: Jood in water en wasbenzine

• Jood (I₂) is hydrofoob: Slecht oplosbaar in water, goed oplosbaar in wasbenzine.
• Evenwicht: I₂(aq) ⇄ I₂(wasbenzine)
• I₂-moleculen bewegen tussen beide vloeistoffen.
• Evenwicht bereikt wanneer kleur van beide lagen constant blijft (macroniveau).
• Op microniveau: net zoveel jood de ene kant op als de andere kant op per seconde.

Verdelingsevenwicht voorbeeld

Voorbeeld: Jood in water en wasbenzine

• 
  

Verdelingsevenwicht voorbeeld

Wat is een verdelingsevenwicht?

• Een stof verdeelt zich over twee fasen.

Kan zijn tussen:

• Gasfase en vloeistof (zoals CO₂).
• Twee niet-mengbare vloeistoffen (zoals jood in water en wasbenzine).

• Zolang de uitwisseling met gelijke snelheid verloopt → dynamisch evenwicht.
• Geen chemische reactie, maar wel voortdurend molecuultransport.

Maken: 1 t/m 6 (blz 136)

Klaar? maken: 7 t/m 10

1

• a) Dit is een reactie die maar in één richting verloopt, net zolang tot een van de beginstoffen op is.
• b) Dit is een reactie waarbij de reactieproducten weer kunnen terug reageren tot de beginstoffen.
• c)  Bij een chemisch evenwicht vinden de reacties tegelijkertijd plaats van links naar rechts en van rechts naar links. Beide reacties verlopen met dezelfde snelheid.

2

• a) De reactiesnelheid is dan nul. Er vinden geen reacties meer plaats.
  
• b) De reactiesnelheid van links naar rechts is dan precies even groot als de reactiesnelheid van rechts naar links.

3

• a) Onjuist. De reacties vinden nog steeds plaats (op microniveau), maar omdat ze beide kanten op even snel verlopen, blijven (op macroniveau) de concentraties van de stoffen in het gevormde mengsel gelijk.
• b) Onjuist. De concentraties van de stoffen veranderen dan weliswaar niet meer, maar dat betekent niet dat ze ook aan elkaar gelijk zijn.
• c) Juist. Bij evenwicht verloopt zowel de heengaande als de teruggaande reactie met als gevolg dat in het ontstane mengsel alle stoffen aanwezig zijn die bij het evenwicht zijn betrokken.
• d Het oplossen van een zout in water is een omkeerbaar proces.
  
• Juist. Zout kan oplossen en bij indampen wordt het weer vast.
  
• e Het oplossen van een moleculaire stof in water is altijd een aflopend proces.
  
• Onjuist. Als er meer stof wordt toegevoegd dan maximaal kan oplossen, is het proces niet
  
• aflopend. Er stelt zich dan een evenwicht in.
  
• f Alle faseovergangen zijn omkeerbare processen.
  
• Juist. Als bijvoorbeeld een vloeistof is verdampt, kan het gas weer condenseren tot vloeistof.

3

• d) Juist. Zout kan oplossen en bij indampen wordt het weer vast.
• e) Onjuist. Als er meer stof wordt toegevoegd dan maximaal kan oplossen, is het proces niet aflopend. Er stelt zich dan een evenwicht in.
• f) Juist. Als bijvoorbeeld een vloeistof is verdampt, kan het gas weer condenseren tot vloeistof.

4

• a) CuSO₄(s) + 5 H₂O(l) → CuSO₄∙5H₂O(s)
  
• b) CuSO₄∙5H₂O(s) → CuSO₄(s) + 5 H₂O(l)
• c) Uit het reactieproduct kunnen weer de beginstoffen worden gevormd (zie de reactie bij opdracht b). Deze reactie is dus omkeerbaar.

5

• a) 2 NO(g) + O₂(g) ⇄ 2 NO₂(g)
  
• b) CH₄(g) + 2 O₂(g) → CO₂(g) + 2 H₂O(l)
• c) CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g)
• d) Na⁺ (aq) + Cl⁻ (aq) ⇄ NaCl(s)
• e) 2 SO₂(g) + O₂(g) ⇄ 2 SO₃(g)
• f) NaCl(s) → Na⁺ (aq) + Cl⁻ (aq)

6

• a) 2 H₂O(l) → 2 H₂(g) + O₂(g)
  
• b) 2 H₂(g) + O₂(g) → 2 H₂O(l)
• c) De elektrolyse van water kost (elektrische) energie en is dus endotherm. Verbranden van waterstof levert energie op en is dus exotherm.
• d) +2,86∙10⁵ J mol⁻¹, want bij een omkeerbare reactie is het energie-effect even groot, maar tegengesteld aan elkaar.

Voorbeeldopdracht 2

De reactie tussen H₂(g) en I₂(g), waarbij gasvormig waterstofjodide ontstaat, verloopt bij 400 °C vrij snel. Er stelt zich in korte tijd een evenwicht in.

Bij een experiment wordt gestart met 1,5 mol waterstof en 2,5 mol jood in een vat van 50 L. Bij het bereiken van het chemisch evenwicht is 70% van de waterstof omgezet in waterstofjodide.

Bereken de concentratie waterstofjodide in mol per liter bij chemisch evenwicht.

Voorbeeldopdracht 2: De reactie tussen H₂(g) en I₂(g), waarbij gasvormig waterstofjodide ontstaat, verloopt bij 400 °C vrij snel. Er stelt zich in korte tijd een evenwicht in.

Bij een experiment wordt gestart met 1,5 mol waterstof en 2,5 mol jood in een vat van 50 L. Bij het bereiken van het chemisch evenwicht is 70% van de waterstof omgezet in waterstofjodide.

Bereken de concentratie waterstofjodide in mol per liter bij chemisch evenwicht.

Maken: 6 t/m 10 (blz 136)

9d niet

7

• a) Een reactie is aflopend als een van de beginstoffen reageert. Dat is hier niet het geval, omdat er een mengsel van drie stoffen is ontstaan. Er heeft zich dus een chemisch evenwicht ingesteld

7b

8

• a) Tetramoleculen hebben geen –OH-groepen en ook geen –NH-groepen. Ze kunnen dus geen waterstofbruggen vormen met watermoleculen.
• b) In tetra bevinden zich geen zuurstofmoleculen. De oplossing is dus paarsviolet
• c) 

8c

9a

9

• b) atoombinding
• c) De waterstofbrug. In de afbeelding zijn –OH-groepen weergegeven.
• d) -
• e) CoCl₂∙6H₂O(s) → CoCl₂(s) + 6 H₂O(g)

10

• a) 6 CO₂(g) + 6 H₂O(l) → C₆H₁₂O₆(s) + 6 O₂(g)
  
• b) zuurstof
• c) CO₂(aq) ⇄ CO₂(g)
  
• d) Het is een verdelingsevenwicht, omdat koolstofdioxide zich over twee verschillende fasen heeft verdeeld. In dit geval is opgelost koolstofdioxide in evenwicht met gasvormig koolstofdioxide.