Tasakaal keskne miste keemias Toomas Kaevand Viitna 2019

Tasakaal – keskne mõiste keemias Toomas Kaevand Viitna 2019

Mida võiks tähendada tasakaal? ● Võrrandite tasakaalustamist? C 2 H 5 OH + 3 O 2 → 2 CO 2 + 3 H 2 O ● Võrrandite tasakaalustamine tähendab reaktsioonis osalevate ainete kvantitatiivsete suhete paika sättimist ● Võrrandite tasakaalustamine on osa stöhhiomeetriast, mis tähendab keemiliste valemite ja reaktsioonivõrrandite tuletamist, koos neil põhinevate ainehulkade arvutustega 2

Tasakaalu mõiste ● Tasakaal on dünaamilise süsteemi olek, kus normaaltingimustele vastava kiiruste juures toimuvad pidevad üleminekud selle süsteemi võimalike seisundite vahel ● Teiste sõnadega: tasakaal on süsteemi seisund, kus reaktsiooni edasi ja tagasi toimumise kiirused on samad Oluline märkus: Tasakaal ei tähenda, et mingi protsessi lähteained ja saadused peaksid olema omavahel ideaalses vahekorras 3

Natroni soolajärv Tansaanias Natroni järve vesi ja järve setted sisaldavad suures koguses naatrium karbonaati (Na 2 CO 3) ehk soodat, mis on tekkinud kaltsium karbonaadist (Ca. CO 3) ja naatrium kloriidist (Na. Cl) ehk “soolast” Natroni järv, vaade kosmosest ja kohapeal Pildid: NASA (vasakul) ja Wikipedia 4

Veider reaktsioon ● Kuidas tekib sooda lubjakivist? ○ 2 Na. Cl + Ca. CO 3 → Na 2 CO 3 + Ca. Cl 2 ● Reaktsioonid võivad olla pööratavad ○ Na 2 CO 3 + Ca. Cl 2 ⇌ 2 Na. Cl + Ca. CO 3 Claude Louis Berthollet (1748 - 1822) Pilt: Wikipedia 5

Rosetta kivi Pilt: Wikipedia, Hans Hillewaert 6

Kuidas väljendada tasakaalu ● 7

Tasakaalu tüübid ● Homogeenne tasakaal Kõik reaktandid ja saadused on samas faasis ● Heterogeenne tasakaal Reaktandid ja saadused võivad olla erinevates faasides 8

Metanooli süntees gaasifaasis CO + 2 H 2 → CH 3 OH CO 2 + 3 H 2 → CH 3 OH + H 2 O Metanoolitehase protsessiskeem. Pilt: Kosan Roh AR-Razi V metanoolitehas. Pilt: Systech International, systech-int. com 9

Tasakaal ei ole. . . ● Tasakaal ei ole: ○ Lähteainete ja saaduste ideaalne vahekord ○ Stabiilsus ● Tasakaal võib olla äärmiselt ebastabiilne 10

Tasakaal ja vaba energiaga ● 1873 pakkus Josiah Willard Gibbs välja, et süsteem on tasakaalus siis, kui selle vaba energia on minimaalne ΔG = - RT ln K Kus G - Gibbsi vaba energia, ΔG - Gibbsi vabaenergia muut, R - ideaalne gaasikonstant, T - absoluutne temperatuur, K - tasakaalu konstant J. W. Gibbs (1839 - 1903) Pilt: Wikipedia 11

Stress ja tasakaal ● Stress - välis- ja sisekeskkonna muutumisel tekkiv pingeseisund ● Ehk teisisõnu, muutused süsteemis põhjustavad stressi ● Stress sunnib tasakaalu muutuma 12

Le Chatelier' printsiip ● Tasakaalus süsteemile stressi rakendamine sunnib süsteemi liikuma seisu, mis vähemalt osaliselt vähendab stressi ● Le Chatelier' printsiibi saab formuleerida järgnevalt: Kui keemilise tasakaalu korral muutub mingi osapoole kontsentratsioon, temperatuur, ruumala või rõhk, siis keemilise reaktsiooni toimumise suund on vastupidine selle teguri muutusele 13

Le Chatelier' printsiip ● Le Chatelier' printsiibi formuleerisid 19. sajandi lõpul üksteisest sõltumatult Henry Louis Le Chatelier ja Karl Ferdinand Braun Henry Louis Le Chatelier (1850 -1936) ja Karl Ferdinand Braun (1850 -1918) Fotod: Wikipedia 14

Ammoniaagi süntees ● Ammoniaak, NH 3, lämmastikust ja vesinikust koosnev lihtne aine, mida ei ole tavatingimustel lihtne sünteesida ● N 2 + 3 H 2 → 2 NH 3 ○ Eksotermiline reaktsioon ○ ΔH 0 (N 2 + 3 H 2) = 0 k. J/mol ○ ΔH 0 (NH 3) = -91. 8 k. J/mol ● Haber-Bosch protsess ○ 20 MPa ja 500 °C ○ Raudkatalüsaator Üks esimestest BASF ammoniaagi reaktoritest (1921) Pilt: Wikipedia 15

Fritz Haber (1868 -1934) ja Carl Bosch (1874 -1940) Pildi: Wikipedia 16

Kunstväetised ● Makroväetised: ○ N - lämmastikväetised ○ P - fosforväetised ○ K - kaaliumväetised Justus von Liebig (1803 - 1873) Pilt: Wikipedia 17

Happe-aluse tasakaal, p. H ● p. H – vesinikuioonide (H+, tegelikult enamasti H 3 O+ kujul) sisaldus lahuses ● Happelisus ei ole alati p. H 18

Tasakaalustruktuurid ● Tsüklid ja nende avanemine ○ Monosahhariidid ● Keto-enool tasakaal ● Resonantsstruktuurid ○ ○ ○ Karboksüülhapped Karbonaadid -N 3, O 3 ● Benseenituum ja aromaatsed ühendid Glükoos tsükliline ja avatud ahel Karbonaat ioon Aziid Benseen 19

Kvantmehhaanikast sõltuv tasakaal ● Aatomi ehitus ● Keemiline side ● Molekuli ehtius 20

Keemiline side ● Peamised keemiliste sidemete tüübid: ○ Kovalentne side ○ Iooniline side ○ Metalliline side ● Kovalentne ja metalliline side on eelkõige tasakaalulise loomusega 21

Orgaaniline süntees ● Orgaaniline süntees ○ Orgaaniliste ühendite saamiseks kasutavad reaktsioonid või reaktsioonide jadad ● Tropinooni süntees ○ Tasakaal lahustunud tropinooni ja atsetooni, metüülamiini ning suktsiin aldehüüdi vahel 22

Tasakaal ja kord ● Kord ei ole alati tasakaalu seisund 23

Tasakaal on keskne ● Tasakaal on keemias keskne mõiste ● Keemilised süsteemid üritavad alati jõuda tasakaaluni 24

Tänan tähelepanu eest! 25