13.1 Efnajafnvægi
Námsmarkmið
Að loknum þessum kafla munt þú geta:
- lýsa eðli jafnvægiskerfa
- útskýra hið kvika eðli efnajafnvægis
Venjan við ritun efnajafna er að setja formúlur hvarfefna vinstra megin við hvarfsörina og formúlur myndefna hægra megin. Samkvæmt þessari venju, og skilgreiningunum á hvarfefni og myndefni, sýnir efnajafna viðkomandi efnahvarf sem ferli frá vinstri til hægri. Afturkræf efnahvörf geta hins vegar gengið bæði áfram, frá vinstri til hægri, og til baka, frá hægri til vinstri. Þegar hraði framhvarfs og bakhvarfs er jafn haldast styrkir hvarfefna og myndefna stöðugir með tíma og kerfið er í jafnvægi. Hlutfallslegir styrkir hvarfefna og myndefna í jafnvægiskerfum eru mjög breytilegir; sum kerfi innihalda aðallega myndefni við jafnvægi, önnur aðallega hvarfefni og sum umtalsvert magn af hvoru tveggja.
Mynd 13.2 sýnir grundvallarhugtök jafnvægis með afturkræfu niðurbroti litlausa efnisins díniturtetroxíðs, N₂O₄, sem myndar brúnt niturdíoxíð, NO₂. Þetta grunnhvarf er lýst með jöfnunni:
Taktu eftir að sérstök tvíátta ör er notuð til að leggja áherslu á að efnahvarfið er afturkræft.
![Sýnd er þrískipt skýringarmynd sem er merkt „a“, „b“ og „c“. Í hluta a, efst á myndinni, eru þrjú mæliglös og í hverju þeirra er lokað rör. Rörið í vinstra mæliglasinu er merkt „t jafngildir 0“. Það er fullt af litlausu gasi sem tengist stækkaðri mynd af ögnunum í rörinu með ör sem vísar niður. Þessi agnamynd sýnir sjö agnir sem hver samanstendur af tveimur samtengdum bláum kúlum. Hver blá kúla er tengd tveimur rauðum kúlum. Þessi tegund agna er merkt „N lágvísir 2 O lágvísir 4“. Rörið í miðju mæliglasinu er merkt „fyrir jafnvægi“. Það er fullt af ljósbrúnu gasi sem tengist stækkaðri mynd af ögnunum í rörinu með ör sem vísar niður. Þessi agnamynd sýnir níu agnir, þar af fimm sem samanstanda af tveimur samtengdum bláum kúlum. Hver blá kúla er tengd tveimur rauðum kúlum. Þessi tegund agna er merkt „N lágvísir 2 O lágvísir 4“. Hinar fjórar samanstanda af tveimur rauðum kúlum sem tengjast einni blárri kúlu. Þessi tegund agna er merkt „N O lágvísir 2“. Rörið í hægra mæliglasinu er merkt „við jafnvægi“. Það er fullt af brúnu gasi sem tengist stækkaðri mynd af ögnunum í rörinu með ör sem vísar niður. Þessi agnamynd sýnir ellefu agnir, þar af þrjár sem samanstanda af tveimur samtengdum bláum kúlum. Hver blá kúla er tengd tveimur rauðum kúlum. Hinar átta samanstanda af tveimur rauðum kúlum sem tengjast einni blárri kúlu. Í hluta b, í miðri myndinni, er eitt línurit. Þetta línurit hefur y-ás merktan „Styrkur“ og x-ás merktan „Tími“. Rauð lína merkt „N O lágvísir 2“ byrjar í neðra vinstra horni línuritsins á punkti merktum „0“ og rís upp undir hæsta punkt á y-ásnum áður en hún jafnar sig og verður lárétt. Blá lína merkt „N lágvísir 2 O lágvísir 4“ byrjar nálægt hæsta punkti á y-ásnum og fellur niður fyrir miðpunkt y-ássins áður en hún jafnar sig. Í hluta c, neðst á myndinni, er annað línurit. Þetta línurit hefur y-ás merktan „Hraði“ og x-ás merktan „Tími“. Rauð lína merkt „k lágvísir f, [ N lágvísir 2 O lágvísir 4 ]“ byrjar í neðra vinstra horni línuritsins á punkti merktum „0“ og rís upp undir miðju y-ássins áður en hún jafnar sig og verður lárétt. Blá lína merkt „k lágvísir f, [ N O lágvísir 2 ] hávísir 2“ byrjar nálægt hæsta punkti á y-ásnum og fellur niður á sama punkt á y-ásnum og rauða línan áður en hún jafnar sig. Punkturinn þar sem báðar línurnar verða láréttar er merktur „Jafnvægi náð“.](https://m4u5rs6quwqmofe9.public.blob.vercel-storage.com/openstax/chemistry-2e/is/a352716381e7eafff6892bc5d3e1423ed707a2ca-4f905337922f.jpg?v=4f905337922f)
Fyrir þetta grunnhvarf má leiða hraðalögmál fram- og bakhvarfs beint af efnamagnfræði hvarfsins:
Þegar hvarfið hefst (t = 0) er styrkur hvarfefnisins N₂O₄ endanlegur og styrkur myndefnisins NO₂ núll. Framhvarfið gengur því með endanlegum hraða en hraði bakhvarfsins er núll. Þegar tíminn líður eyðist N₂O₄ og styrkur þess minnkar, en NO₂ myndast og styrkur þess eykst (mynd 13.2b). Minnkandi styrkur hvarfefnisins hægir á framhvarfinu og aukinn styrkur myndefnisins flýtir fyrir bakhvarfinu (mynd 13.2c). Þetta heldur áfram þar til hraði fram- og bakhvarfs verður jafn; þá hefur hvarfið náð jafnvægi, sem einkennist af stöðugum styrk hvarfefna og myndefna (skyggðu svæðin á mynd 13.2b og mynd 13.2c). Mikilvægt er að leggja áherslu á að efnajafnvægi er kvikt: hvarf í jafnvægi hefur ekki stöðvast, heldur gengur það áfram og til baka á sama hraða. Þetta kvika eðli er lykilatriði í skilningi á hegðun jafnvægiskerfa, eins og fjallað er um í þessum og síðari köflum bókarinnar.
Eðlisfræðilegar breytingar, svo sem fasaskipti, eru einnig afturkræfar og geta myndað jafnvægi. Þetta hugtak var kynnt fyrr í bókinni í umfjöllun um gufuþrýsting þéttfasa, það er vökva eða fasts efnis. Sem dæmi má skoða uppgufun bróms:
Þegar fljótandi brómi er bætt í annars tómt ílát og því lokað hefst framferlið sem lýst er hér að ofan, uppgufun. Það heldur áfram á nokkurn veginn jöfnum hraða svo lengi sem yfirborðsflatarmál vökvans og hitastig hans haldast stöðug. Eftir því sem meira brómgas myndast eykst hraði bakferlisins, þéttingar, þar til hann verður jafn uppgufunarhraðanum og jafnvægi kemst á. Ljósmynd af þessu fasajafnvægi er sýnd á mynd 13.4.
