Le Chateliers princip: sådan forskydes en kemisk ligevægt

Du skruer låget af en sodavand, og flasken hviner af små bobler. Et øjeblik før var alt roligt: kuldioxiden var opløst i væsken, og lige så meget gas slap ud, som der blev opløst. Så fjerner du trykket, og balancen vælter. Det er Le Chateliers princip i hverdagsudgave.

Det samme sker i et reagensglas, i din krop og i en kæmpestor fabrik, der laver gødning. Hver gang du ændrer noget i en kemisk ligevægt, flytter ligevægten sig, og den flytter sig altid i den retning, der modvirker dit indgreb. Det betyder, at du kan forudsige udfaldet uden at regne en eneste ligning. Du skal bare vide, hvad du har ændret, og hvilken vej reaktionen så vil trække.

Hvad er Le Chateliers princip?

Princippet er opkaldt efter den franske kemiker Henry Louis Le Châtelier, der fremsatte det i 1884. Lex om Le Châteliers princip formulerer det sådan, at en kemisk ligevægt ved indgreb udefra forskydes, så virkningen af indgrebet formindskes mest muligt. Tænk på en ligevægt som en person, der ikke bryder sig om overraskelser. Skubber du til den, skubber den tilbage, så godt den kan.

To ord er værd at lægge mærke til. At ligevægten forskydes betyder, at den flytter sig mod højre, hvor der er flere produkter, eller mod venstre, hvor der er flere reaktanter. At virkningen formindskes betyder, at systemet dæmper dit indgreb, men aldrig ophæver det helt. Hælder du ekstra reaktant i, ender du ikke tilbage ved den gamle koncentration. Du ender et sted imellem, med en ny ligevægt.

Ligevægt og ligevægtskonstant: Q mod K

Tag ammoniaksyntesen. I en lukket beholder reagerer nitrogen og brint til ammoniak, og samtidig falder noget af ammoniakken fra hinanden igen. Efter et stykke tid sker de to ting lige hurtigt, og koncentrationerne holder op med at ændre sig. Det er ligevægt. Det er ikke stilstand, men to reaktioner, der udligner hinanden.

Til hver ligevægt hører en ligevægtskonstant, \( K \), som fortæller, hvordan stofferne fordeler sig, når ligevægten er indstillet. Den ændrer sig kun, hvis temperaturen ændrer sig. Skal du have styr på, hvordan du overhovedet skriver og afstemmer skemaet, så start i guiden om reaktionsskema. Udtrykket for \( K \) bygger på koncentrationerne i ligevægt, og ligevægtsloven siger, at produkterne står i tælleren og reaktanterne i nævneren, hver opløftet til deres koefficient.

Her får princippet et præcist indhold. Når du ændrer en koncentration, ændrer du \( Q \), men ikke \( K \). Systemet er pludselig ude af ligevægt, og reaktionen kører i den retning, der bringer \( Q \) tilbage til \( K \). Le Chateliers princip er altså en genvej til samme svar, som du kan nå ved at regne.

Ændring af koncentration: tilsæt eller fjern stof

Hvad sker der, hvis du hælder mere brint ned i en beholder, der allerede er i ligevægt? Brinten er en reaktant, så ligevægten vil gerne af med noget af den. Reaktionen forløber mod højre, nitrogen og brint bliver til ammoniak, og der opstår en ny ligevægt med mere ammoniak end før. Fjerner du i stedet ammoniak, bliver reaktionen ved med at trække mod højre, fordi systemet prøver at genopbygge det, du tog væk. Det er præcis det trick, fabrikker bruger til at få mere ud af en ligevægt.

Læg mærke til, at \( K \) ikke har flyttet sig. Du har kun skubbet \( Q \) væk fra \( K \), og reaktionen sørger for at skubbe tilbage. Derfor er koncentrationsændringer de mest ufarlige indgreb: De ændrer fordelingen af stofferne, men ikke selve ligevægtskonstanten.

Du kan se det med egne øjne i et klassisk forsøg. Jern(III)ioner og thiocyanationer danner et blodrødt kompleks, \( \mathrm{Fe^{3+} + SCN^- \rightleftharpoons FeSCN^{2+}} \), og farven fortæller dig præcis, hvor langt ligevægten er nået. Tilsætter du flere thiocyanationer, bliver opløsningen mørkere rød, fordi ligevægten forskydes mod komplekset. Tilsætter du noget, der binder jern(III), bliver den lysere, fordi ligevægten forskydes mod venstre. Farven er et regnskab over ligevægtens position.

Over tid ser forløbet sådan ud. Lige efter tilsætningen springer koncentrationen af det tilsatte stof op. Derefter falder den gradvist, mens produkterne vokser, og til sidst flader alle kurver ud igen. Den nye ligevægt har højere koncentration af det, du tilsatte, end før, men lavere end lige efter tilsætningen. Det er forskellen mellem at formindske og at ophæve et indgreb i en kemisk ligevægt.

Tryk og volumen: kun gasser tæller

Koncentration kan du ændre ved at tilsætte stof. Tryk er luskere, for det virker kun, når der er gasser med. Forestil dig en sprøjte lukket med en finger og fyldt med de tre gasser fra ammoniaksyntesen. Skubber du stemplet ind, bliver volumenet mindre, og alle gaskoncentrationer stiger på én gang. Systemet kan ikke fjerne trykket, men det kan sænke det ved at gøre antallet af gasmolekyler mindre. Venstre side har 1 + 3 = 4 mol gas, højre side har 2 mol. Ligevægten forskydes derfor mod højre, mod ammoniak.

Reglen kan siges i to linjer. Højere tryk, altså mindre volumen, forskyder ligevægten mod den side med færrest gasmol. Lavere tryk, altså større volumen, forskyder den mod siden med flest gasmol. Er der lige mange gasmol på begge sider, som i \( \mathrm{H_2 + I_2 \rightleftharpoons 2\,HI} \), sker der ingenting. Den danske Wikipedia om Le Chateliers princip viser, hvordan en trykforøgelse gør, at koncentrationsbrøken ikke længere passer med ligevægtskonstanten, så systemet forskydes mod den side, der giver færrest gasmol. Det er også derfor, sodavanden bruser: Trykket falder, og mere kuldioxid forlader væsken som gas.

Hvad hvis der er faste stoffer med? Når du brænder kalk, nedbrydes calciumcarbonat til calciumoxid og kuldioxid: \( \mathrm{CaCO_3(s) \rightleftharpoons CaO(s) + CO_2(g)} \). Her er der kun én gas i hele ligningen. Faste stoffer tæller ikke med i ligevægtsudtrykket, så ligevægten afgøres af trykket af \( \mathrm{CO_2} \) alene. Presser du volumenet sammen, forskydes ligevægten mod venstre, mod færrest gasmol, nemlig nul, og der dannes mere calciumcarbonat.

Temperatur: endoterm eller exoterm?

Du dypper et glas med brun gas først i isvand og derefter i varmt vand. I isvandet bliver gassen næsten farveløs. I det varme vand bliver den mørkebrun. Det klassiske forsøg bruger \( \mathrm{NO_2} \), som er brun, og \( \mathrm{N_2O_4} \), som er farveløs. Temperaturen vælger side.

Reaktionen mod højre afgiver varme, så den er exoterm. Du kan tænke på varme som et produkt: \( 2\,\mathrm{NO_2} \rightleftharpoons \mathrm{N_2O_4} + \text{varme} \). Tilfører du varme, vil systemet bruge den ved at køre den endoterme retning, altså mod venstre og mod brun \( \mathrm{NO_2} \). Køler du ned, vinder den exoterme retning, og der dannes mere \( \mathrm{N_2O_4} \). Det stemmer med Lex' beskrivelse, hvor tilførsel af varme får den varmeforbrugende reaktion til at forløbe.

Tegnet på reaktionsentalpien fortæller dig, hvilken retning der er endoterm. Er \( \Delta H \) negativ, afgiver reaktionen varme mod højre, og den modsatte retning optager varme. Er \( \Delta H \) positiv, er det omvendt. Fordampning af vand er et hverdagseksempel på en endoterm proces, så opvarmning forskyder ligevægten mellem væske og damp mod damp. Det er dit første tjek, hver gang en opgave nævner temperatur.

Katalysator: hurtigere, men ikke et andet resultat

En katalysator er en genvej, men den ændrer ikke, hvor du ender. Den sænker aktiveringsenergien for både reaktionen mod højre og reaktionen mod venstre, så begge går hurtigere. Resultatet er, at ligevægten nås på kortere tid, men forholdet mellem produkter og reaktanter bliver det samme. Ligevægten forskydes ikke.

Hvorfor bruge en katalysator, hvis den ikke giver mere produkt? Fordi tid koster penge. En reaktion kan ligge fint til højre i ligevægten og alligevel være så langsom, at du aldrig ser produktet. Ligevægten fortæller dig, hvor langt reaktionen kan nå. Hastigheden fortæller, hvor hurtigt den kommer derhen. De to ting er uafhængige.

Le Chateliers princip og pH

Eddike er en opløsning af eddikesyre, og eddikesyre er en svag syre. Kun en lille del af molekylerne afgiver en hydron til vandet, og resten sidder stadig som hele molekyler. Der er altså en ligevægt mellem de to former.

Hæld nu en base som natriumhydroxid i. Hydroxidionerne reagerer med \( \mathrm{H^+} \) og fjerner dem, og det svarer til at fjerne et produkt. Ligevægten forskydes mod højre, flere eddikesyremolekyler afgiver en hydron, og pH stiger langsommere, end du ville tro. Samme tankegang ligger bag bufferopløsninger. Vil du have grundlaget på plads, kan du læse om syrer og baser og pH-skalaen.

Le Chateliers princip i kroppen

Hver gang du trækker vejret, flytter du på en ligevægt i dit blod. Kuldioxid opløses i blodet og danner kulsyre, som afgiver hydroner: \( \mathrm{CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-} \). Hyperventilerer du, fjerner du kuldioxid hurtigere, end kroppen producerer den. Det svarer til at fjerne en reaktant på venstre side. Ligevægten forskydes mod venstre, koncentrationen af hydroner falder, og pH i blodet stiger. Det er derfor, du kan få prikken i fingrene og blive svimmel efter hurtig ånding.

Holder du i stedet vejret, ophobes kuldioxid. Ligevægten forskydes mod højre, og pH falder en smule. Kroppen holder sit pH stabilt ved at justere vejrtrækningen, og det er en sammenhæng, du møder igen i biologi.

Haber-Bosch: princippet i industriel skala

På en ammoniakfabrik er der omkring 450 grader og omkring 200 bar. Sådan beskriver DTU-professor Peter Vesborg et typisk anlæg i en artikel hos DM Bio. Det lyder som et mærkeligt valg. Reaktionen er exoterm, så Le Chatelier siger, at lav temperatur giver mest ammoniak. Hvorfor så ikke bare køle ned?

Svaret er et kompromis. Ved lav temperatur ligger ligevægten langt til højre, men reaktionen er håbløst langsom, fordi nitrogenmolekylet holdes sammen af en tripelbinding. Ifølge den danske Wikipedia om Haber-Bosch-processen hjælper en katalysator på aktiveringsenergien, men problemet består: Hæver du temperaturen for at få fart på, rykker ligevægten mod reaktanterne. Løsningen er højt tryk, som skubber ligevægten mod de færre gasmol, og en jernkatalysator, som gør reaktionen hurtig nok. Processen er udviklet af Fritz Haber og Carl Bosch, og Lex om Haber-Bosch-metoden kalder den en industriel proces til at lave ammoniak af luftens nitrogen, især til gødning.

Kurverne er illustrative, men de viser mønsteret: Udbyttet falder, når temperaturen stiger, og højt tryk løfter hele kurven. Fabrikken bruger også trikset fra koncentrationsafsnittet. Ammoniakken køles ned, kondenserer og fjernes som væske, mens uomsat nitrogen og brint sendes tilbage i reaktoren. Når produktet hele tiden fjernes, bliver ligevægten ved med at trække mod højre. Haber fik Nobelprisen i kemi i 1918 og Bosch i 1931 for netop at overvinde de kemiske og tekniske udfordringer ved den proces.

Når princippet ikke er nok

Le Chateliers princip giver dig retningen, ikke størrelsen. Det fortæller, at ammoniakudbyttet stiger ved højere tryk, men ikke hvor meget. Skal du vide, hvor stor omsætningen bliver, må du regne på ligevægtsudtrykket med de oplyste værdier af K og startkoncentrationer. Princippet er et kompas. Beregningen er kortet.

Princippet svigter også, når to indgreb trækker i hver sin retning. I Haber-Bosch trækker temperaturen mod venstre og trykket mod højre. Her hjælper det ikke bare at skrive, at ligevægten forskydes. Du skal sammenligne, hvilket indgreb der vejer tungest, og det kræver data, for eksempel hvordan K afhænger af temperaturen, eller en graf som den ovenfor. Forklar derfor hvert indgreb for sig, og konkluder bagefter ud fra oplysningerne i opgaven.

Sådan bruger du princippet i en opgave

Til eksamen får du typisk en ligevægt og et indgreb og skal sige, hvilken vej ligevægten flytter sig. Opgaven kan se forskellig ud hver gang, men tankegangen er den samme. Gå gennem de fire trin, og du undgår at gætte.

1. 1

   Skriv ligevægten med tilstandsformer

   Skriv reaktionsskemaet med (g), (aq), (s) og (l). Faste stoffer og rene væsker indgår ikke i ligevægtsudtrykket, og kun gasser tæller, når du vurderer tryk.

2. 2

   Find ud af, hvad der er ændret

   Er det en koncentration, tryk eller volumen, eller temperatur? En katalysator ændrer ikke ligevægten, så den kan du sortere fra med det samme.

3. 3

   Modvirk ændringen

   Tilsat stof bliver brugt. Fjernet stof bliver dannet. Højere tryk går mod færrest gasmol. Opvarmning går mod den endoterme retning, og afkøling mod den exoterme.

4. 4

   Formuler svaret med fagsprog

   Skriv, at ligevægten forskydes mod højre eller venstre, og hvorfor. Husk at nævne, at K er uændret, medmindre det er temperaturen, du har ændret.

Beder opgaven dig om at begrunde, så skriv mellemleddene med. Det er ikke nok at skrive mod højre. Skriv i stedet, at trykket øges, at systemet modvirker ved at forskyde mod færrest gasmol, og at det er mod SO3. Sensor leder efter begrundelsen. Det er den, der viser, at du har forstået princippet og ikke bare husket en regel.

Typiske fejl

De fleste point går tabt på de samme fem misforståelser. De hænger næsten alle sammen med forskellen på det, der ændrer \( Q \), og det, der ændrer \( K \).

Sidder du fast i en ligevægtsopgave, hjælper det ofte at få den gennemgået af en, der kan stille de rigtige spørgsmål undervejs. Du kan finde hjælp i alle fag under lektiehjælp hos Toptutors, og første prøvetime koster 99 kr.