5. Le Chatellier & en van ‘t Hof

Dit zijn de namen van twe wetenschappers die (1888) het chemisch evenwicht uitvoerig onderzochten en tot de volgende konklusie kwamen, de volgende regel:

Als je van buitenaf een verandering aanbrengt aan een chemisch evenwicht

veroorzaakt dat een verschuiving van het evenwicht op zodanige manier

dat die uitwendige verandering tegengewerkt wordt,
zoveel mogelijk ongedaan wordt gemaakt.

Met andere woorden:

Als je een systeem in evenwicht verstoort,

zal dat systeem de neiging hebben om de effecten van die verstoring minimaal te maken,

net zolang tot er een nieuw evenwicht is ingetreden.

Zulke externe veranderingen, beïnvloedingen kunnen zijn: één van de stoffen wordt extra toegevoegd, of het volume verandert of er wordt warmte toegevoegd, of iets dergelijks.

De hoeveelheid van een - aan het evenwicht - deelnemende stof veranderen
bijvoorbeeld: waterstof toevoegen veroorzaakt een verschuiving van het evenwicht dat er voor zorgt dat (een deel van) dit extra waterstof weer (gedeeltelijk) verdwijnt, door de heenreaktie te stimuleren.
Dit totdat er een nieuw evenwicht is bereikt.
1. In de beker bevindt zich NH₃(aq) (basisch milieu) met een paar druppels van de indikator methylrood,
  waarvan de afgekorte formule is: HIn
  
  Dan stelt zich in de oplossing het volgende evenwicht in:
  
  HIn H⁺+ In^-
  Rood Geel
  
  De aanwezigheid van een base (die H⁺ opneemt) betekent een verschuiving van het evenwicht naar rechts de gele kleur domineert.
2. Je voegt nu een beetje HCl(aq) toe, waardoor het basisch milieu verandert naar zuur milieu.
  
  Het zuur wil H⁺ afstaan, dus:
  
  het evenwicht: HIn H⁺+ In^-
  Rood Geel
  
  verplaatst zich naar links en de rode kleur gaat domineren.
3. Nu gaan we weer base toevoegen: (NH₃(aq)), de kleur verandert weer naar geel
  
  dus hetzelfde evenwicht verplaatste zich nu weer naar rechts:
  
  HIn H⁺+In^-
  Rood Geel
4. Dit gedoe kun je eindeloos herhalen
  elke keer zal het evenwicht verschuiven naar rechts of naar links
  De totaal-situatie in de beker verandert eigenlijk maar heel weinig
  Het is alleen maar een geringe verschuiving van het evenwicht naar de ene of ander kant, afhankelijk van de omgeving, het milieu.
Het Volume veranderen
Een groter volume betekent dat er meer ruimte komt voor de deelnemende deeltjes in het evenwicht. Het principe is dus dat zo'n verandering wordt tegengewerkt door het evenwicht, en dat kan als er meer deeltjes worden gevormd. In het voorbeeld van HI is dat niet mogelijk, want aan elke kant staan evenveel deeltjes. Verschuiving levert dus niets op. Dan heeft verandering van volume geen invloed op de ligging van het evenwicht.
Je kunt het evenwicht op verschillende manieren veranderen:
1. bij gassen kan dat direct, door bijvoorbeeld een zuiger uit te trekken en de cylinder zo meer inhoud te geven
2. bij vloeistoffen kun je verdunnen
In beide gevallen is het effect gelijk.
Warmte toevoegen of onttrekken Als je extra energie toevoegt aan een chemisch evenwicht zal ook weer getracht worden die verandering tegen te werken. In dit geval kan die toegevoegde warmte (voor een deel) worden opgebruikt door de endotherme reaktie
in het geval van HI zal het evenwicht zich naar links verplaatsen

Het saccharose evenwicht (zie opdracht) is exotherm naar rechts.

(glucose + fructose saccharose + water ΔH < 0

Bij verlaagde temperatuur zal er dus minder energie beschikbaar zijn en wil het evenwicht energie "erbij maken". Dat kan gerealiseerd worden met de exotherme reaktie, dus met de reaktie naar recht. Oftewel, bij lagere temperaturen vormt zich meer saccharose.

Dit alles kwalitatief bekeken

Je kunt dezelfde effecten ook kwantitatief onderzoeken en bewijzen met behulp van de evenwichtskonstante. Die heeft een vaste waarde en verandert niet, wat je ook aan het evenwicht doet (behalve temperatuursverandering).
Die bewijzen kun je leveren met wiskundige berekeningen.

Stel bijvoorbeelddat de hoeveelheid I₂verhoogd wordt.
Kijk naar de wiskundige formule voor K. Als de [I₂] hoger wordt en K mag niet veranderen, dan moet, wiskundig gezien, ook de hoeveelheid HI hoger worden, dus moet het evenwicht zich verplaatsten.

Opdracht 6: [Tollen's Reagens]
Ag⁺-ionen zijn zwakke oxidatoren die bijvoorbeeld glucose kunnen oxideren (de aldehyde groep).
De vergelijking van de oxidatie is als volgt:

2Ag⁺+ C₆H₁₂O₆ + H₂O

2Ag(s)+ C₆H₁₂O₇ + 2H⁺ ΔH > 0 ( eq.1)

Om dit evenwicht naar rechts te dwingen heb je twee mogelijkheden: verwarmen en basisch milieu versterken.
Leg die twee mogelijkheden verder uit:
Basisch milieu: Ag⁺-ionen, gebracht in basisch milieu, vormen een neerslag:AgOH, of wel: Ag₂O met een bruine kleur en in vaste vorm.
Alleen, Ag⁺ reageert alleen redelijk goed als oxidator als het vrij is, in opgeloste vorm dus; niet als het vast zit aan OH^-. Wil je dus dit ion als oxidator toepassen, dan moet je grotendeels in vrije ionvorm hebben, zelfs in basisch milieu. Er is een mogelijkheid om dat te realiseren: ammoniak toevoegen (NH₃(aq)), dat de Ag⁺-ionen op de volgende manier in oplossing houdt:

Ag⁺ + 2NH₃ Ag(NH₃)₂⁺

Op deze wijze blijven de Ag⁺-ionen in oplossing, zelfs in basisch milieu.

Leg uit hoe ammoniak het evenwicht (1) beïnvloedt.
Verhoging van Temperatuur:

Een endotherme reaktie kost energie, dus, extra energie ondersteunt de endotherme reaktie.

Leg uit hoe temperatuursverhoging het evenwicht (1) beínvloedt.

Opdracht 7
Enkele evenwichten in het menselijk lichaam, in dit geval in het bloed, zijn:

HHb + O₂

HbO₂ + H⁺
CO₂ + H₂O

H₂CO₃
H₂CO₃

H⁺ + HCO₃^-

Welke problemen kunnen mensen met een te lage bloed-pH hebben?
antwoord

Opdracht 8
Ammoniak is een gasvormige stof die goed in water oplost: NH₃(g)

NH₃(aq)
Het lost niet alleen op in water, maar reageert er ook mee:
NH₃ + H₂O

NH₄⁺+ OH^-

Het hydroxide ion is een sterke base (veel sterker dan ammoniak), en daarom heeft de heen-reaktie een terugreaktie.
In de ammoniak-oplossing bestaat dit evenwicht, behoorlijk ver naar links.

wat zal er gebeurenals er wordt toegevoegd:
1. natriumhydroxide
2. zoutzuur
Leg uit of de waarde van K groot of klein zal zijn
Welke zijn de sterke en de zwakke stoffen?

Opdracht 9

Analyseer het diagram van de reaktie van de gassen waterstof en stikstof, waarbij ammoniakgas wordt gevormd (synthese van Haber-Bosch).
Wat zal er gebeuren op het moment t₀? (het evenwicht wordt op dat moment bereikt)
Op het moment t_p wordt het evenwicht verstoord door toevoeging van twee stoffen. Welke stoffen?

Na enige tijd wordt een nieuw evenwicht bereikt.
Wat is de winst nu wat betreft produktvermeerdering?

5.1 Bevriezing van het evenwicht

Je hebt een systeem in chemisch evenwicht en je gaat dat systeem afkoelen (je onttrekt warmte-energie). Normaal en volgens de regels van Le Chatellier en van 'tHoff zal dan het evewicht een verschuiving ondergaan: De exotherme reaktie (die energie produceert) zal extra gaan verlopen.

Maar daar is niet alles mee gezegd: Zich aanpassen aan een verandering kost namelijk tijd. Afkoeling zal voor de deelnemende deeltjes van het evenwicht betekenen dat ze langzaamaan langzamer zullen gaan bewegen en hun vibratie neemt ook af. Dat kennen we ook van het begrip: "minimum-temperatuur". Elke reaktie heeft zo'n minimumtemperatuur. Daaronder verloopt de reaktie niet. Maar stel nu eens dat je het evenwicht zeer snel afkoelt: in een paar seconden valt de temperatuur vele graden (de stoffen worden bijvoorbeeld in ijs gegooid).
Dan heeft het systeem geen tijd om zich rustig aan te passen. De deeltjes vallen vrijwel meteen stil, verliezen hun beweging. Deeltjes zonder voldoende energie doen niet mee aan een reaktie.
Als dit gebeurt: een evenwichtsreaktie wordt supersnel heel erg afgekoeld, dan zeggen we ook wel: het evenwicht wordt bevroren. De heen- en terugreaktie komen in één klap stil te liggen en hebben geen tijd om zich aan de verandering aan te passen. Zowel de produkten als de uitgangsstoffen komen in één klap onder hun minimum temperatuur.
Zonder reakties zullen dus vervolgens ook geen concentraties veranderen. Er is geen sprake meer van een dynamisch evenwicht.

Opdracht 10
Leg uit in je eigen woorden waarom bevriezing van een evenwicht meteen het einde betekent van de dynamische toestand.

Opdracht 11
Bacteriën veranderen vrijwel niet als je ze snel invriest.
Alle stoffen blijven met gelijke concentraties aanwezig en het metabolisme blijft gesloten bij die koude. Ga je voorzichtig weer opwarmen dan zullen vele reaktie langzaamaan hun activiteit weer hernemen. De bacteriën komen weer tot leven.
Er zijn mensen die dit verschijnsel op zichzelf zouden willen toepassen: je laat je invriezen vlak voor je dood gaat. Wie weet kun je weer lekker warm worden als je over honderd jaar weer voorzichtig wordt opgewarmd.
Wat vind je van dit idee? Technisch zowel ethisch?

5.2 Effecten van de katalysator

Opdracht 12
bewering: "Een enzym dat de evenwichtsreacties beínvloedt kan de waarde van K veranderen
Is die bewering waar of vals? Leg uit.
antwoord

Je weet dat een katalysator de chemische reaktiesnelheid kan beïnvloeden. Let op: het kan een positieve katalysator zijn (die versnelt de reaktie), maar ook een negatieve (die vertraagt de reaktie)
In geval van een chemisch evenwicht worden de twee reakties in gelijke mate beïnvloed. De heen-reaktie wordt even sterk beïnvloed als de terugreaktie.

Opdracht 13
Stel je voor dat je de twee reakties van een evenwicht precies op dezelfde manier beïnvloedt; leg uit of het evenwicht dan verplaatsing ondergaat en of het evenwicht dynamisch blijft.

Wat is dan de noodzaak om een katalysator toe te passen als die toch niets verandert aan de ligging van het evenwicht?
Het antwoord op die vraag met de tijd die nodig is om het evenwicht te bereiken. Zolang het evenwicht nog moet worden ingesteld (en dat kan soms heel lang duren en heel moeizaam gaan) kan zo'n katalysator zeker zinvol zijn. De reakties kunnen traag zijn. Een katalysator kan zo de periode tot t_e verkorten, van uren, dagen, jaren tot misschien maar minuten of seconden. Sommige evenwichten worden in de praktijk nooit en te nimmer bereikt zonder katalysator.

Bij levende wezens noemt men de katalysatoren: bio-katalysatoren of ook: enzymen. Het is nu eenmaal zo dat de meeste reakties van het metabolisme evenwichtsreakties zijn. Het zal dus duidelijk zijn dat enzymen hier ook altijd dienen om die evenwichten in het metabolisme binnen de juiste tijd te bereiken, te realiseren.
Het menselijk lichaam heeft duizenden verschillende enzymen, allemaal zeer specifiek. Zonder die enzymen geen metabolisme.

Opdracht 14
Schets een diagram dat de eventuele invloed laat zien van een katalysator op de reaktiesnelheden binnen een evenwicht.