Osa2. Kemiallinen reaktio

1. Kertoimien määrittäminen

2. Määrälliset laskut

- massasuhdemenetelmä

- moolimenetelmä

3. Palamisreaktiot

4. Lämpöenergia reaktioissa

5. Reaktionopeuteen vaikuttavia tekijöitä

6. Tasapainoreaktiot

1. Reaktioyhtälön kirjoittaminen

Kemiallisessa reaktiossa alkuaineet tai yhdisteet reagoivat

keskenään synnyttäen uusia yhdisteitä. Viime kädessä kyse on

elektronien siirtymisistä elektronikuorien välillä.

Reaktioon osallistuvia aineita sanotaan lähtöaineiksi ja

syntyviä aineita reaktiotuotteiksi

Reagoivien aineiden atomien ja molekyylien välisiä

lukumääräsuhteita kuvataan reaktioyhtälöllä. (vrt. resepti)

Esimerkki. Ammoniakin valmistus typestä ja vedystä

N

N+ <=>

3 H2 + N2 <=> 2 NH3

Kuva kertoo, miten 2 vetymolekyylistä H2 ja yhdestä typpimolekyylistä N2 syntyy

2 ammoniakkimolekyyliä NH3. Sama informaatio sisältyy lyhyemmässä

muodossa reaktioyhtälöön.

Hiukkasten lukumäärät ilmoitetaan aineiden eteen kirjoitettavilla kertoimilla,

jotka kuvaavat siten reaktion hiukkassuhteita.

Huom. Kaasut esiintyvät kaksiatomisina molekyyleinä N2, O2, H2, j.n.e

Reaktionuoli on => jos reaktio yksisuuntainen, < = > jos reaktio kaksisuuntainen

Kertoimien määrittämisen ohje ja esimerkki

Esim. Täydennä kertoimet hematiitin (Fe2O3) ja hiilen reaktioon:

Fe2O3 + C => Fe + CO2

Tasapainotetaan ensin happi , sitten hiili, lopuksi rauta

2 Fe2O3 + C => Fe + 3 CO2 happi tasapainossa

2 Fe2O3 + 3 C => Fe + 3 CO2 hiili tasapainossa

Alla lopullinen reaktioyhtälö, jossa kaikki alkuaineet ovat tasapainossa

2 Fe2O3 + 3 C => 4 Fe + 3 CO2

1. Kirjoita lähtöaineet ja tuotteet yhtälöön ilman kertoimia.

2. Määritä kertoimet periaatteella, että kutakin atomilajia tulee olla

reaktioyhtälön molemmilla puolilla yhtä suuri määrä. Suorita tasapainotus

alkuaine kerrallaan. Lähde sellaisista alkuaineista, joita on vain yhdessä

lähtöaineessa ja tuotteessa.

Täydennä puuttuvat kertoimet

seuraaviin reaktioyhtälöihin

CH4 + O2 => CO2 + H2O

H2S + Cl2 => S + HCl

H3PO4 + NaCl => Na3PO4 + HCl

Cl2 + Na2S2O3 + H2O => NaSO4 + HCl

H2 + O2 => H2O

Määrälliset laskut

Määrällisessä laskussa pyritään määrittämään reaktioon

osallistuvien aineiden määrät, kun yhden (joskus useammankin)

aineen määrä on tiedossa.

Laskun suorittamiseksi on tunnettava reaktioyhtälö kertoimineen.

Perusmenetelmiä on kaksi:

A. MASSASUHDEMENETELMÄ

B. MOOLIMENETELMÄ

A. MassasuhdemenetelmäEsimerkki. Kuinka paljon hiiltä kuluu pelkistettäessä 4000 kg hematiittia (Fe2O3)

puhtaaksi raudaksi reaktiossa 2 Fe2O3 +3 C => 3 CO2 + 4 Fe ?

2 Fe2O3 + 3 C => 3 CO2 + 4 Fe

MFe2O3

=159.7MC

=12

x4000 kg

Lasketaan tarvittavat molekyylipainot (kertoimet ei mukana)

M käyttäen atomimassataulukkoa ja merkitään yhdisteiden yläpuolelle

<= massat tälle riville, tuntemattomia

massoja merkitään x, y, ….

<= molekyylimassat

Seuraavaksi määritetään hiilen kulutuksen ja hematiitin massasuhde. Kahta Fe2O3 :a kohti kuluu

aina 3 hiiliatomia, joten hiilen ja Fe2O3:n massasuhde =𝟑∗𝟏𝟐

𝟐∗𝟏𝟓𝟗.𝟕= 0.113

Molekyylitasolla ja suurten määrien tasolla vallitsee sama massasuhde, joten

𝒙

𝟒𝟎𝟎𝟎 𝒌𝒈= 0.113 => x = 0113*4000 kg = 452 kg

Vastaus: hiiltä kuluu 452 kg

Jatkotehtävä. Nykyään on tärkeää laskea hiilidioksidipäästöjä. Lasketaan

edelliseen tehtävään vielä syntyvän hiilidioksidin määrä kilogrammoina

2 Fe2O3 + 3 C => 3 CO2 + 4 Fe

MFe2O3

=159.7

y4000 kg <= massat tälle riville, tuntemattomia

massoja merkitään x, y, ….

<= molekyylimassat

Hiilidioksidin ja hematiitin massasuhde =𝟑∗𝟒𝟒

𝟐∗𝟏𝟓𝟗.𝟕=0.413

Vastaus: Hiilidioksidipäästöt ovat 1652 kg

MCO2 =44

Hiilidioksidin määrä y saadaan yhtälöstä 𝒚

𝟒𝟎𝟎𝟎 𝒌𝒈= 0.413 => x = 0.413*4000 kg = 1652 kg

Huom! Useimmiten välivaihe, jossa massasuhde lasketaan desimaalilukuna, ohitetaan ja

kirjoitetaan suoraan verranto, josta kysytty massa voidaan ratkaista:𝒚

𝟒𝟎𝟎𝟎 𝒌𝒈=

𝟑∗𝟒𝟒

𝟐∗𝟏𝟓𝟗.𝟕

a A + b B => c C + d D

Ratkaistaan tuntemattomat massasuhteista saaduista verrannoista

𝒙

𝒎𝑨=𝒄𝑴𝒄

𝒂𝑴𝑨

Massasuhdemenetelmä yleisessä muodossa

-reagoivat aineet A,B , tuotteet C ja D , kertoimet a,b,c,d

MA MB MC MD

<= lasketaan tehtävän kannalta

tarpeelliset molekyylipainot

mA mBx

<= merkitään tehtävässä annetut

massat, ratkaistavia massojen

merkitään x,y,...y

𝒚

𝒎𝑨=𝒅𝑴𝑫

𝒂𝑴𝑨

Esimerkki kullan rikastamisesta syanidin avulla

Au + NaCN + O2 + H2O → Na[Au(CN)2] + NaOH

Prosessissa malmirikasteeseen sekoitetaan syanidia, noin kaksi kiloa NaCN

malmitonnia kohden. Emäksisessä syanidiliuoksessa, johon lisätään happea,

kulta hapettuu ja muodostuu natriumsyanoauraattia.

Liuotusvaiheen jälkeen disyanoauraatti(I)-ioneja sisältävä liuos erotetaan

kiviaineksesta ja muusta sakasta suodattamalla. Kulta erotetaan

elektrolyysillä (tasavirralla) jolloin kulta pelkistyy ja syanidi vapautuu

uudelleen käytettäväksi.

2 Au + 4 NaCN + ½ O2 + H2O → 2 Na[Au(CN)2] + 2 NaOH

Määritä kertoimet reaktioyhtälöön, jolla kulta liuotetaan syanidilla.

Tehtävä: Kuinka paljon natriumsyanidia NaCN

tarvitaan 1000 g kultaharkon erottamiseen malmista?

2 Au + 4 NaCN + ½ O2 + H2O → 2 Na[Au(CN)2] + 2 NaOH

molekyylimassat 197

23+12+14=

49

massat: 1000g x

NaCN:n ja kullan massasuhteesta saatava verranto

=> x/1000 g = 4*49/(2*197) => syanidimäärä x = 0.497*1000g = 497 g

Syaanivety, natrium- ja kaliumsyanidi

Syaanivety eli sinihappo HCN

- Kuuluu heikkoihin happohin

Kaliumsyanidi, natriumsyanidi

- Emäksinen suola

- Kehittää hapon kanssa syaanivetyä

- Tappavaa hengitettynä, nieltynä,

joutuessaan iholle

- Érittäin myrkyllistä vesieliöille

-Erittäin helposti syttyvä neste tai

höyry

- Tappavaa hengitettynä

- Erittäin myrkyllistä vesieliöille

Lähde: http://www.ttl.fi/ova/

Työterveyslaitoksen Onnettomuuden Vaaraa Aiheuttavien aineiden turvaohjeet

”Ylimääritelty määrällinen lasku”Laske syntyvän raudan määrä, kun 5000 kg magnetiittia Fe3O4 pelkistetään raudaksi hiilellä, jota on käytettävissä 400 kg.

Fe3O4 + 2 C => 2 CO2 + 3 Fe

Tehtävässä on annettu kahden aineen määrät, joten on oletettavissa että jompikumpi aine loppuu kesken reaktiossa.

Lasketaan ensin kuinka paljon hiiltä 5000 kg magnetiittia kuluttaisi reaktiossa, jos hiiltä olisi tarpeeksi.

12231.6 <= lasketut molekyylipainot

Merkitään x:llä 5000 malmia vastaavaa hiilen kulutusta:𝒙

𝟓𝟎𝟎𝟎 𝒌𝒈=

𝟐∗𝟏𝟐

𝟐𝟑𝟏.𝟔=> x = 518 kg

Hiiltä on vain 400 kg, joten se on otettava lähtökohdaksi raudan määrää laskettaessa. (osa malmista jää reagoimatta)

Fe3O4 + 2 C => 2 CO2 + 3 Fe

12231.6

400kg y

𝒚

𝟒𝟎𝟎 𝒌𝒈=

𝟑∗𝟓𝟓.𝟖𝟓

𝟐∗𝟏𝟐=> y = 2793 kg

Moolimenetelmä

• Soveltuu erityisesti kaasureaktioihin,

joissa pitää laskea kaasujen tilavuuksia

Ainemäärä n ja sen yksikkö 1 mol (mooli)

Ainemäärä n kuuluu SI – järjestelmän perussuureisiin.

Ainemäärä tarkoittaa hiukkasten lukumäärää.

Yksikkö 1 mol = 6.022*1023 kpl (mitä tahansa

objekteja)

Avogadron luku NA = 6.022*1023

KEMIASSA MOOLI ON KESKEINEN

SEURAAVISTA SYISTÄ:

1. Reaktioyhtälössä kertoimet kuvaavat hiukkasmäärien (siis moolienkin)

suhteita

esim. C3H8 + 5 O2 => 3 CO2 + 4 H2O

Jos esim. 100 moolia propaania palaa, niin happea kuluu 500 moolia,

hiilidioksidia syntyy 300 moolia (koska kertoimien suhde on 1:5:3)

2. Aineen massa on helppo muuttaa mooleiksi. Avogadron luku on valittu siten, että

yhdisteen molekyylipaino on samalla yhdisteen moolimassa yksikössä g/mol.

Esim. H2SO4:n molekyylipaino on 98 => sen moolimassa on 98 g/mol.

Jos meillä on 500 g rikkihappoa, sitä on mooleina 500 g/98 (g/mol) = 5.0 mol

Esim. 11 kg propaania C3H8 sisältää 11000g/44g/mol = 250 mol molekyylejä

M

mn

Massa

mooleiksiMoolit

massaksiMnm

3. Laboratoriotulokset ilmoitetaan useimmin

mooleina litrassa:

Esim. kolesteroli 4.1 mmol /l

veren sokeri 5.4 mmol/l

4. Ideaalikaasun tilanyhtälössä, joka sitoo paineen p,

tilavuuden V ja Kelvin- lämpötilan T esiintyy

aineen moolimäärä n. Ts. yhtälö on voimassa

kaikille kaasuille. NTP- olosuhteissa 1 mooli mitä

tahansa kaasua vie tilavuuden 22,4 litraa.

nRTpV

moll

mol nnVV 4.22 Moolit litroiksi kaasua

NTP:ssä

Mooli on yleinen aineen pitoisuuden eli konsentraation

ilmoittamisessa.

V

nc

Aineen

konsentraatio: yksikkö 1 mol/l

NTP = normal temperature and pressure ( ns. normaaliolosuhteet):

Paine = 101300 Pa (ilmanpaine) Lämpötila T = 0oC = 273.15 K, n=1

Ideaalikaasun

tilanyhtälö

P = paine

T = lämpötila (K)

n = ainemäärä (mol)

R = 8.31

(”kaasuvakio”)

V = tilavuus (m3)

Palamisreaktioiden ominaisuuksia

• Polttoaineet ovat hiilen ja vedyn yhdisteitä (joissakin lisäksi happea)

• Kun hiilivety palaa, reaktiotuotteet ovat aina CO2 ja H2O

(palamiskaasut)

=> reaktioyhtälö muotoa: _ CxHy + _ O2 => _ CO2 + _ H2O(kertoimet vaihtelevat hiilivedystä riippuen)

• Palamiseen tarvittava teoreettinen ilmamäärä saadaan kertomalla

kuluvan hapen määrä luvulla 100

21(koska ilman happipitoisuus on 21%)

• Optimaalinen palaminen edellyttää eräillä polttoaineilla hieman

teoreettista ilmamäärää suurempaa ilmamäärää. Kerrointa kutsutaan

ilmakertoimeksi

Ilmakerroin 𝝀 =𝒏𝒕𝒐𝒅

𝒏𝒕𝒆𝒐𝒓. Tyypillinen lambda- arvo on 1.1 – 1.2

Lambda- anturi autoissa mittaa pakokaasujen happipitoisuutta. Jos pakokaasussa ei ole

happea, moottori saa vain teoreettisen ilmamäärän, ja palaminen ei välttämättä ole

optimaalista vaan esim. häkää muodostuu hiilidioksidin sijaan. Bensiiniautoissa tarvittava

λ voi olla 1.1 . Diesel ei tarvitse ylimääräistä ilmaa.

Palamisreaktioiden yhtälöitä

Kirjoita palamisen reaktioyhtälöt seuraaville aineille:

a) hiili b) metaani CH4 c) propaani nestekaasu C3H8

d) etanoli C2H5OH

Laske tarvittava ilmamäärä, kun 600 g etanolia poltetaan. Käytä

ilmakertoimelle arvoa λ = 1.1

Laske myös savukaasujen määrä tilavuutena NTP:ssä.

C + O2 => CO2

CH4 + 2 O2 => CO2 + 2 H2O

C3H8 + 5 O2 => 3 CO2 + 4 H2O

C2H5OH + 3 O2 => 2 CO2 + 3 H2O

1. Tunnetun lähtöaineen massa muutetaan moolimassan M(=molekyylimassa) avulla mooleiksi.

(kaava n = m/M)

2. Kerrointen avulla lasketaan kaikkien aineiden moolimäärät.

3. Kaasujen määrät muutetaan NTP-tilavuuksiksi. (kerroin 22.4 L/mol)

4. Hapen kulutus muunnetaan ilmamääräksi (kerroin 100/24 * ilmakerroin λ)

C2H5OH + 3 O2 => 2 CO2 + 3 H2O

M(=2*12 + 6*1 +16)

=46

Ilman tarve: 100/21*874 ltr * ilmakerroin 1.1 = 4568 ltr = 4.6 m3

Ideaalikaasujen

moolitilavuus NTP:ssä

= 22.4ltr/mol

Massa m 600 g

Moolit

n=m/M

600g/46g/mol

= 13.0 mol

3*13mol

= 39 mol

2*13 mol

= 26 mol

3*13 mol

= 39 mol

V=

n*22.4L

13*22.4L=

291L

39*22.4l=

874L

26*22.4L=

582 L

874L

Savukaasuja yhteensä

1456 L (NTP)

MOOLIMENETELMÄ MÄÄRÄLLISESSÄ LASKUSSA

Palamisreaktioiden päästöt

1. Bensiini ja diesel ovat hiilivetyjä, joten moottoreissa päästöinä

syntyy aina hiilidioksidia CO2 ja vettä H2O

2. Osa polttoaineesta ei pala täydellisesti moottorissa, jolloin syntyy

hiilimonoksidia CO . Lisäksi pakokaasuihin jää palamattomia

hiilivetyjä.

3. Sylinterissä palava kaasu on polttoaineen ja ilman seosta. Ilmassa

on 78% typpeä, josta muodostuu polttoaineen palaessa typen

oksideja NxOy

4. Polttoaineissa on jonkin verran rikkiä, joka palaa rikkidioksidiksi

SO2. Ilmaan joutuessaan rikkidioksidi aiheuttaa mm. happosateita.

Autojen polttoaine Suomessa on lähes rikitöntä.

Auton katalysaattori

Bensiinimoottorin katalysaattori on kolmitoimikatalysaattori

Dieselmoottorin katalysaattori on kaksitoimikatalysaattori

• Dieselmoottori toimii ilmaylimäärällä (ilmakerroin > 1), jolloin

typen oksidien puhdistaminen ei ole mahdollista.

• Typen oksidipäästöt ovat eräs syy siihen, miksi dieselautot

on haluttu kieltää mm. Saksan eräiden kaupunkien

keskustoissa. Toinen syy on dieselin pienhiukkaspäästöt

Kaasun tilavuus muissa lämpötiloissa kuin 0oC

Edellä saatiin savukaasujen NTP tilavuudeksi 1456

litraa. Mikä on savukaasujen todellinen tilavuus kun

niiden lämpötila on 400 oC ?

Oletetaan, että paine on sama (101300 Pa)

Kirjoitetaan kaasulaki kahdessa

lämpötilassa ja tilavuudessa

p V2 = n R T2

p V1 = n R T1

Jaetaan yhtälöt puolittain => 𝑽𝟐

𝑽𝟏= 𝑻𝟐

𝑻𝟏

Sijoitetaan: T1 = 273 K, T2 = 673 K, V1=1456 L ja ratkaistaan V2

V2 = V1

𝑇2

𝑇1= 1456L*

673𝐾

273𝐾= 3589 L = 3.6 m3

TAPA2: Koska savukaasujen moolimäärä n = 26 + 39 = 68 mol tunnetaan, olisi voitu tilavuus laskea

suoraan kaavalla V = n R T/p = 68mol*8.31J/molK*673K / 101300Pa = 3.75 m3. (pieni ero johtuu

pyöristyksistä: 1456 L ei ole kovin tarkka tulos)

Reaktiot ja energiaKemiallinen energia voi muuntua monenlaiseksi energiaksi ja sitä voi syntyä

mitä erilaisimmissa tilanteissa. Ao. kuva näyttää, että kemiallinen energia voi

muuntua esim. sähkö-, lämpö- ja säteily- ja mekaaniseksi energiaksi.

Lämpöenergiaa vapauttavaa reaktiota kutsutaan kemiassa eksotermiseksi

reaktioksi (hiilen palaminen) ja energiaa sitovaa reaktiota endotermiseksi

reaktioksi (typpimonoksidin muodostuminen typestä ja hapesta).

Entalpia eli lämpösisältö

Aineen sisältämää kemiallista energiaa sanotaan entalpiaksi.

Entalpian symboli on H ja yksikkö joule, J.

Entalpianmuutos (ΔH) eli reaktiolämpö määritellään reaktiotuotteiden ja

lähtöaineiden entalpioiden kautta. ∆H ilmoitetaan kertoimien ilmoittamia

moolimääriä kohti

ΔHreaktio = Hreaktiotuotteet - Hlähtöaineet

Eksoterminen reaktio: ∆H < 0 (lämpösisältö pienenee reaktiossa)

Endoterminen reaktio: ∆H > 0 (lämpösisältö kasvaa reaaktiossa)

Esim1. Neutraloitumisreaktio NaOH:n ja suolahapon HCl välillä on eksoterminen

NaOH + HCl => NaCl + H2O ∆H = - 57 kJ

Esim2. Ammoniumnitraatin liukeneminen veteen on endoterminen

NH4NO3 + aq => NH4+ + NO3

- ∆H = + 26 kJ

Entalpia olomuodon muutoksissaOlomuodon muutoksissa entalpiamuutosta sanotaan (mooliseksi) sulamis-

lämmöksi tai höyrystymislämmöksi

Reaktiolle H2O(l) => H2O(g)

∆H (100oC) = +40.8 kJ/mol

l = liquid, g = gas

Lämpöopissa esitetään veden

höyrystymislämpö yksikössä

kJ/kg. Määritä sen arvo

moolisen höyrystymislämmön

perusteella.

Veden moolimassa M= 18g/mol

=> mooli vettä painaa 0.018 kg

Siten höyrystymislämpö

= 40.8 kJ/0.018kg = 2260kJ/kg

Miten eri reaktioiden ∆H määritetäänTapa1: Reaktiossa syntyvän tai reaktion sitoman lämpöenergian määrä voidaan

mitata kalorimetrisin mittauksin mittaamalla lämpötilamuutoksia eristetyssä tilassa

Tapa2: Hessin laki: ∆H ei riipu siitä tapahtuuko reaktio suoraan vai

osareaktioiden kautta. Hessin lain avulla voidaan määrittää tuntemattomia

reaktiolämpöjä, jos vain tiedetään saman kokonaisreaktion osareaktioiden

reaktiolämmöt.

Esim. Määritä metaanin muodostumislämpö ∆H reaktiossa

C + 2 H2 => CH4

Seuraavien palamisreaktioiden reaktiolämmöt tunnetaan:

Hiilen palaminen : C + O2 => CO2 - 394 kJ

Vedyn palaminen: 2H2 + O2 => 2H2O - 572 kJ

Metaanin palaminen CH4 + 2O2 => CO2 + 2H2O -890kJ

Käännetään viimeinen reaktio toisinpäin: CO2 + 2H2O =>CH4 + 2O2 + 890 kJ

ja lasketaan kaikki puolittain yhteen:

C+ 2H2 + 2O2 + CO2 + 2H2O => CO2 + 2H2O + CH4 + 2O2 - 76 kJ

Sievennettynä: C + 2H2 => CH4 - 76kJ (metaanin muodostumislämpö = -76kJ)

Reaktiolämmön laskeminen muodos-

tumislämpötaulukon avulla

Yhdisteen muodostumislämpö = energia moolia kohti, joka on vapautunut

tai sitoutunut yhdisteen muodostuessa alkuaineista. (Netissä taulukkoja)

https://www.thoughtco.com/common-compound-heat-of-formation-table-609253

Asetyleeni C2H2 on kaasuhitsauksessa käytettävä kaasu, jonka

muodostumislämpö on 226.7 kJ/mol. Määritä asetyleenin palamisen

reaktiolämpö ∆H (kJ) . CO2 n ja H2O :n muodostumislämmöt ovat -393.5

kJ/mol ja -241.8 kJ/mol, Vapaan alkuaineen (tässä O2) muodostumislämpö = 0

2 C2H2 + 5 O2 => 4 CO2 + 2 H2O

Reaktion reaktiolämpö ∆H on tuotteiden ja lähtöaineiden muodostu-

mislämpöjen erotus, jota laskettaessa otetaan huomioon reaktioyhtälön

kertoimet.

∆H = 4mol*(-394.5kJ/mol)+2*(-241.8kJ/mol)-2mol*226.7kJ/mol = -2512 kJ

Polttoaineiden lämpöarvot

Kalorimetrinen lämpöarvo eli ylempi lämpöarvo vakiotilavuudessa

(lyhenne HHV tai HCV) on se lämpöenergian määrä poltettavan aineen

massayksikköä kohti, joka vapautuu, kun aine palaa täydellisesti (eli happea

on ylimäärä) ja palamistuotteet jäähtyvät 25 °C lämpötilaan

Tehollinen lämpöarvo kuiva-aineessa (LHV, LCV) (vakiopaineessa (1 bar)

on se lämpöenergian määrä, joka vapautuu, kun sekä aineen sisältämän

vedyn palamistuotteena syntyvä vesi oletetaan palamisen jälkeen

vesihöyryksi.

Lisäksi on vielä tehollinen lämpöarvo saapumistilassa (toimitus-

/käyttökosteana) , joka on alin kolmesta lämpöarvosta.

HHC arvon voi laskea kohtuullisen helposti palamisreaktion ∆H -arvosta

Hiilen palaminen : C + O2 => CO2 - 394 kJ

Vedyn palaminen: 2H2 + O2 => 2H2O - 572 kJ

Metaanin palaminen CH4 + 2O2 => CO2 + 2H2O -890kJ

Ylemmän lämpöarvon (HHV) laskeminen reaktiolämmöistä

Määritettävä hiilen, vedyn ja metaanin ylemmät lämpöarvot, kun tiedetään niiden

palamisreaktioiden reaktiolämmöt:

a) 1 hiilimoolia ( = 12 g hiiltä) kohden vapautuu 394 kJ lämpöä.

HHV = 394kJ/0.012 kg = 32 8000 kJ/kg = 32.8 MJ/kg

b) 2 vetymoolia ( = 2*2g vetyä) kohden vapautuu 572 kJ lämpöä.

HHV = 572kJ/0.004 kg = 143 000 kJ/kg = 143 MJ/kg

b) 1 metaanimoolia ( = 16g metaania) kohden vapautuu 890 kJ lämpöä.

HHV = 890kJ/0.016 kg = 55 600 kJ/kg = 55.6 MJ/kg

Reaktionopeuteen

vaikuttavat tekijät

Reaktiomekanismi:

Reaktion A + B => AB tapahtuminen edellyttää hiukkasten A ja B törmäystä

riittävällä törmäysenergialla, jota kutsutaan aktivaatioenergiaksi.

Reaktion nopeutta lisäävät:

1) aineiden hienojakoisuus (enemmän kosketuspinta-alaa)

2) korkea lämpötila (riittävät törmäysenergiat)

3) korkea paine ( enemmän törmäyksiä aikayksikössä)

4) katalyytin läsnäolo (Katalyytti muuttaa reaktiomekanismia ja alentaa siten

aktivaatioenergiaa, mutta ei itse kulu reaktiossa. Luonnon katalysaattori = entsyymi)

Konsentraatio eli väkevyys

Määritelmä: Liuoksen / seoksen väkevyys eli

konsentraatio

Sen yksikkö on 1 mol/ l (merk. joskus 1M)

symboli = c tai [ ]

esim. NaCl -liuoksen väkevyys merkitään

cNaCl tai [NaCl]

Jatkossa käytämme konsentraatiosta HAKASULKUMERKINTÄÄ:

Ts. [ NaOH ] tarkoitaa natriumhydroksidin konsentraatiota (mol/l)

c = n / V

Tasapainoreaktiot

Useat reaktiot voivat edetä molempiin suuntiin riippuen

olosuhteista.

A + B <=> C + D

reaktion => nopeus on verrannollinen lähtöaineiden

konsentraatiohin v1 = k1 [A] [B] ja se pienenee reaktion

edetessä. Vastareaktion <= nopeus on verrannollinen tuotteiden

konsentraatioihin. v2=k2 [C] [D] ja se kasvaa reaktion edetessä.

Kun reaktio hidastuu ja vastareaktion nopeutuu, saavutetaan

jossain vaiheessa tilanne, jossa v1=v2 , reaktio on näennäisesti

pysähtynyt, vaikka molemmat reaktiot jatkuvat. Tilaa kutsutaan

dynaamiseksi tasapainoksi.

Otetaan mukaan reaktioyhtälön kertoimet a,b,c,d :

a A + b B => c C + d D

Tasapainotilanteessa v1 = v2 eli

k1 [A]a [B]b = k2 [C]c [D]d josta

k1/k2 = K = [𝑪]𝒄[𝑫]𝒅

[𝑨]𝒂[𝑩]𝒃

Tätä vakiota K sanotaan reaktion tasapainovakioksi ja se on kullekin

reaktiolle ominainen. Jos K on suuri, reaktio etenee pitkälle, jos K on

pieni, reaktion tasapaino jää lähtöaineiden puolelle. Myöhemmin esille

tulevat happo- ja emäsvakiot ovat em. kaltaisia tasapainovakioita.

TASAPAINOVAKIO K

Reaktion tasapainoon vaikuttavat tekijät

1. Lähtöaineita lisäämällä voidaan reaktio käynnistää oikealle.

2. Tuotteita poistamalla seoksesta saadaan reaktio etenemään oikealle.

3. Lämpötilan lisääminen saa reaktion etenemään lämpöä sitovaan

endotermiseen suuntaan ja lämpötilan alentaminen

eksotermiseen.

4. Paineen lisääminen saa kaasureaktiot etenemään pienemmän

hiukkasmäärän suuntaan. Esim. 3 H2 + N2 => 2 NH3 on kaasureaktio, jossa

4 hiukkasesta tulee 2. Paineen kohottaminen siten edistää reaktiota.

Le Chatellierin periaate: Reaktio etenee suuntaan, jossa

ulkoinen muutos eliminoituu. Reaktio väistää ulkoista pakkoa.