Gör kopparslanten skinande ren - med komplexkemi

Tillhör kategori: fysikalisk kemi, jämvikt, kemisk bindning

Författare: Svante Åberg

Introduktion Riktlinjer Säkerhet Materiel Förarbete Utförande Förklaring Kemisk bakgrund Fördjupning Litteratur Fler experiment

Gör kopparslanten skinande ren - med komplexkemi

Frätande Irriterande Använd skyddsglasögon 

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 20 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Utföres med normal varsamhet

Svårighetsgrad: Busenkelt

Introduktion

Tycker du att kopparslanten förlorat sin lyster och är mörk och ful. Det är lätt åtgärdat. Du kan få den skinande ren på en sekund.

Observera! Detta recept ska inte användas av samlare av värdefulla mynt, eftersom receptet korroderar ytan en liten aning. Det finns andra bättre recept för det, t ex Gör kopparslanten skinande ren - med reduktion.

Riktlinjer

Experimentet utförs gärna som elevexperiment men passar också som demonstration.

Säkerhet

I experimentet används utspädd saltsyra, som är frätande. Använd därför förkläde och skyddsglasögon. Syran är dock ganska utspädd och relativt ofarlig.

Överbliven syra spolas ned i vasken tillsammans med rikligt med vatten. Fortsätt spola vatten en liten stund efteråt.

Materiel

Förarbete

Inget förarbete krävs.

Utförande

  1. Tvätta bort eventuellt fett från kopparslanten med borste, tvål och vatten.
  2. Häll lite 0,1 M saltsyra i bägaren.
  3. Tag den mörka kopparslanten med pincetten och doppa den i saltsyran.
  4. Observera skillnaden!
  5. Skölj slanten under rinnande vatten och torka av den med pappershandduken.

Kommentar: Det mörka skiktet på kopparen kan skapas genom att slanten hålls med degeltång i lågan av en Bunsenbrännare tills den blivit het. Tag sedan ut slanten och låt den svalna. Alternativt kan man värma kopparslanten på en het kokplatta.

Variation

Saltsyran kan bytas ut mot citronsyra.

  1. Tvätta bort eventuellt fett från kopparslanten med borste, tvål och vatten.
  2. Häll 1 tsk citronsyra i bägaren.
  3. Tillsätt 1 tsk vatten, gärna varmt, och skaka om lite.
  4. Läg ner den mörka kopparslanten i citronsyran och vänta. Citronsyran är så svag det inte gör något om man får den på fingrarna.
  5. Observera hur slanten sakta ändrar färg!
  6. Skölj slanten under rinnande vatten och torka av den med pappershandduken.

Variation

Saltsyran kan även bytas ut mot ättika och koksalt.

  1. Tvätta bort eventuellt fett från kopparslanten med borste, tvål och vatten.
  2. Häll 1 msk ättika och 1 msk koksalt i bägaren.
  3. Läg ner den mörka kopparslanten, skaka om lite och vänta.
  4. Observera hur slanten sakta ändrar färg!
  5. Skölj slanten under rinnande vatten och torka av den med pappershandduken.

Förklaring

Kopparen oxideras i luft till CuO(s), som är svart. Oxidskiktet är tunt, så slanten ser närmast mörkbrun ut. Vid rumstemperatur är oxideringen långsam, men om slanten upphettas sker reaktionen inom någon minut.

Ren 5-öring av koppar
Foto: © Svante Åberg
Syror har förmågan att lösa upp metalloxider. Syran reagerar med kopparoxiden så att vatten och salt bildas. Mängden bildat salt är dock så liten att den inte märks. Även kloriden i saltsyran hjälper till att lösa upp kopparoxiden. Saltsyra fungerar därför särskilt bra. När kopparoxiden på så sätt avlägsnas träder den rena, underliggande kopparen fram.

Slanten på bilden har doppats delvis i saltsyran för att man lätt ska se skillnaden före och efter behandlingen. Slanten blir inte riktigt lika blank som en ny slant. Det beror på att kopparoxidskiktet (som man avlägsnar) inte är alldeles jämnt.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Oxideringen i luft

Syret i luften reagerar med kopparen i två steg. Först bildas koppar(I)oxid (Cu2O), som är röd:
2 Cu(s) + O2(g) Cu2O(s)
koppar syre koppar(I)oxid

Koppar(I)oxidskiktet märks inte eftersom det är så tunt och dessutom snart reagerar vidare till koppar(II)oxid (CuO), som är svart:

Cu2O(s) + ½ O2(g) 2 CuO(s)
koppar(I)oxid syre koppar(II)oxid

Koppar oxideras inte i torr luft. Även i fuktig luft sker oxidationen långsamt. Om man däremot upphettar kopparen till över 200 °C blir oxidationen ganska snabb. Ytan blir först gulröd av Cu2O och sedan svart av CuO.

Om den fuktiga luften innhåller andra ämnen, som t ex svaveloxider, bildas ett grönt skikt av ärg (patina). Även karbonater och klorider kan bildas [1].

Brytvärda förekomster av koppar i jorskorpan är ofta i form av koppar(I)oxid (Cu2O) och kallas röd kopparmalm eller kuprit.

Oxidskiktets reaktion med syror i allmänhet

Egentligen är syran HA dissocierad (uppdelad) i vattenlösning:
HA → H+ + A-

När myntet, som har en mörk beläggning av koppar(II)oxid, doppas i syra förväntar man sig följande reaktion:
syra(aq) + CuO(s) → salt + H2O(l)

Det är vätejonen, H+, som reagerar med oxiden. I princip kan man använda alla syror, men det förutsätter att syran är tillräckligt stark. Ättiksyra, t ex, är för svag för att reaktionen ska ske inom rimlig tid. 1 M svavelsyra, H2SO4, är däremot tillräckligt stark och koncentrerad för att lösa upp oxidskiktet.

Oxidskiktets reaktion med saltsyra

I saltsyra är emellertid situationen lite mer komplicerat än en ren reaktion mellan syra och metalloxid. Vi har en nämligen bildning av ett starkt komplex med klorid [2]:
Cu+ + 2 Cl- → CuCl2-

Dessutom kan den envärda kopparen disproportioneras [3]:
Cu2+ + Cu(s) ⇄ 2 Cu+

Bildningen av CuCl2- driver jämvikten Cu2+ + Cu(s) ⇄ 2 Cu+ åt höger och vi får reaktionen:
Cu2+ + Cu(s) + 4 Cl- ⇄ 2 CuCl2-

Man kan också skriva reaktionen på följande sätt:

CuO(s) + Cu(s) + 4 HCl(aq) 2 H+ + 2 CuCl2- + H2O
koppar(II)oxid koppar saltsyra vätejoner kopparklorid-
komplex
vatten

Man kan alltså tacka kloriden för att den driver på reaktionen så kraftigt. I lika koncentrerad svavelsyra, H2SO4, märks knappt någon reaktion alls. Sulfatet, SO42- bildar inte kompelx med koppar på samma sätt som kloriden, Cl-. Observera att slanten förlorar dubbelt så mycket koppar i denna reaktion jämfört med om man endast haft den vanliga reaktionen mellan syra och metalloxid.

Kan man blanda ättika och klorid?

Ja, det kan man! Ättiksyran enbart ger ingen märkbar reaktion och koksaltet är inte heller effektivt. Men tillsammans rår vätejonerna från ättiksyran och kloridjonerna från koksaltet på oxidskiktet.

Oxidskiktets reaktion med citronsyra

Citratjon Att citronsyra, som är en svag syra, fungerar så pass bra beror till en del på att anjonen, citrat, har förmågan att komplexbinda till flervärda metalljoner. Citratets negativa grupper omfamnar den positiva metalljonen på grund av attraktionen mellan positiva och negativa laddningar. Citratet plockar ivrigt åt sig kopparjonerna, vilket gör att vätejonerna lättare kan reagera med oxiden. Vi har alltså reaktionerna:

citronsyra → vätejoner + citrat
vätejoner + CuO(s) → Cu2+ + vatten
citrat + Cu2+ → kopparcitrat-komplex

Summareaktionen blir:
citronsyra + CuO(s) → kopparcitrat-komplex + vatten

En syra som liknar citronsyran, ättiksyra, reagerar inte märkbart. Skillnaden är att ättiksyrans negativa jon (anjon), acetat, inte bildar något starkt komplex som hjälper till att driva på reaktionen.

Kan själva kopparen reagera?

Om man tittar på vätets plats i spänningsserien ser man att vätejonen inte kan oxidera kopparen. Kopparen är en ganska ädel metall som inte är så reaktiv.

Däremot kan det vara så att anjonen av syran ger upphov till reaktion. Salpetersyra, HNO3, är en oxiderande syra. Dess anjon, NO3-, är ett oxidationsmedel med tillräcklig styrka att oxidera grundämnet koppar till kopparjoner. Om salpetersyran är tillräckligt koncentrerad så kommer kopparslanten att upplösas helt.
Cu(s) + NO3- → Cu2+ + nitrösa gaser.

Legeringar med koppar

En legering är en fast lösning av flera ämnen i varandra.

Mässing är en legering mellan koppar och zink. Vanliga är 5-45 vikts-% zink. Om zinkhalten är låg blir färgen mera röd. Med högre zinkhalt ljusnar färgen till "mässingsgul". [1]

Brons är en legering mellan koppar och tenn. Tennhalten kan vara 5-30 vikts-% men är vanligtvis under 10 vikts-%. Brons är ganska hårt och är lätt att smälta och gjuta. [1]

Nysilver (nickelmässing) är en legering som typiskt innehåller 60 vikts-% koppar, 22 vikts-% zink och 18 vikts-% nickel. Nysilvret liknar silver i färgen, men innehåller alltså inget silver. [1]

Kopparslantar är vanligtvis legeringar av flera metaller, där t ex nickel ingår.

Korrosion av koppar i havsvatten

Koppar i havsvatten är utsatt för kraftig korrosion på grund av den närvarande kloriden i koksaltet [4]. Drygt 4 % av havsvattnet är ju koksalt, NaCl. Första reaktionerna är följande:

Cu(s) → e- + Cu+
Cu+ + Cl-(aq) → CuCl(s)

Men koppar(I)klorid (CuCl) är inte stabil i luften. När man tar upp föremålen reagerar koppar(I)kloriden med luftens syre (O2) och luftfuktigheten (vatten, H2O) vilket kan leda till bronssjukan. Basisk koppar(II)klorid (CuCl2.3 Cu(OH)2) bildas samtidigt som saltsyra (HCl).

4 CuCl(s) + 4 H2O(l) + O2(g) → CuCl2.3 Cu(OH)2(s) + 2 HCl(aq)

Saltsyran reagerar sedan vidare med okorroderad kopparmetall under bildning av mera koppar(I)klorid under avgivande av vätgas (H2).

2 Cu(s) + 2 HCl(aq) → 2 CuCl(s) + H2(g)

På så sätt fortsätter processen till dess all koppar korroderat. För att få stopp på korrosionen måste kloriden avlägsnas, t ex genom reduktion av kopparkloriden med natriumditionit (finns i fläckborttagningsmedlet Remol), som i experimentet "Gör kopparslanten skinande ren - med redoxkemi".

Fördjupning

Hydratiserade joner

Ett ovanligt, men korrekt namn för vatten, är diväteoxid. Vatten är ett av de allra viktigaste ämnena. Det är en av huvudbeståndsdelarna i de levande organismerna och i deras omgivning. En mycket stor del av de kemiska reaktionerna på jordytan sker i vattenlösning och detta gäller inte minst livsprocesserna. Vatten är också det oftast använda lösningsmedlet.

Exempel på hur joner är hydratiserade,
dvs. omges av skal av vattenmolekyler.
Bild: © Svante Åberg

Vattenmolekyler är dipoler och bildar jon-dipolbindning i saltlösningar. Dipolen vänder sig så att den laddning som är motsatt jonens kommer närmast jonen eftersom det är den del som attraheras starkast. På grund av närheten till jonen är attraktionen av den motsatta laddningen starkare är repulsionen av laddningen med lika tecken som jonen. Därför blir det en nettoattraktion mellan jonen och dipolen.

Eftersom dipolmolekylen som helhet är elektriskt neutral får det bildade komplexet samma laddning som den enkla jonen. Eftersom det finns plats för flera vattenmolekyler kring varje jon, så omges jonerna av ett skal av vattenmolekyler. Man säger att jonerna är hydratiserade och bildar akvajoner (akvajon = jon som bundit vatten som ligander; ligand = molekyl som binds till centralatomen).

Bindningsenergin för jon-dipolbindning är alltid mycket mindre än för jon-jonbindning. När avståndet ökar, går också attraktionsenergin för den förra bindningstypen snabbare mot noll än för den senare typen. De första dipolmolekylerna som binds till en jon attraheras naturligtvis tills de kommer i kontakt med jonen. Härigenom bildas en inre sfär ("skal") av bundna ligander. Om ligander finns i tillräcklig mängd (t.ex. om jonen befinner sig i en lösning där lösningsmedlet utgörs av ligandmolekyler), binds de ofta även i ett eller flera yttre skal. Jonen kommer då att omges av ett moln av ligander som åtminstone i sina yttre delar är ganska odefinierat. Bindningsstyrkan för liganderna avtar med avståndet från centralatomen.

Den hydratiserade jonen är mycket större än vattenmolekylerna

Den nakna metalljonen är ungefär lika stor som en vattenmolekyl. Men den hydratiserade jonen är mycket större än vattenmolekylerna.

Den hydratiserade jonen fungerar som en stor partikel. Det medför att de hydratiserade jonerna inte kan passera genom semipermeabla (halvgenomsläppliga) membran. Däremot kan de fria vattenmolekylerna passera genom det semipermeabla membranet. Detta sker till exempel vid dialys. Ett annat exempel är när dricksvatten framställs ur havsvatten med omvänd osmos. Genom högt tryck tvingar man vattenmolekylerna att passera genom membranet, men de hydratiserade saltjonerna hindras. På andra sidan membranet kommer då ut rent vatten.

Koordinationskomplex

Kring en centralatom eller jon, ofta en metalljon, binds ofta molekyler eller joner som finns i den omgivande lösningen. Till exempel har man i en lösning med koppar(II)klorid kopparjoner (Cu2+) som binder ett antal kloridjoner (Cl). Utrymmet närmast kopparjonen är begränsat. Därför ryms det upp till 4 kloridjoner kring kopparjonen. Ett sådant komplex kallas koordinationskomplex och de partiklar som binds till centralatomen/jonen kallas ligander. Kloridjonen är alltså ligand.

Det finns många möjliga ligander. Ofta är lösnlingsmedelsmolekylerna ligander eftersom de är så vanliga i lösningen. Vatten (H2O) binds ofta till centraljonen och bildar ett hydratiseringsskal kring jonen. Utöver vatten (H2O) och klorid (Cl), så är ammoniak (NH3), hydroxid (OH), cyanid (CN), oxalat (COO)22- exempel på några ligander.

Koncentrationen påverkar hur många ligander som binds

Koncentrationen av de partiklar som kan fungera som ligander påverkar hur många ligander som i genomsnitt binds till centralatomerna. I en mycket utspädd lösning av kopparklorid (CuCl2) är kloridjonerna mycket ovanliga, men molekylerna av lösningsmedlet (H2O) mycket vanliga. Chansen för kopparjonen att hitta en kloridjon är därför liten. I stället binder kopparjonen vattenmolekyler som ligander och koordinationskomplexet blir [Cu(H2O)6]2+. Det ryms alltså 6 vattenmolekyler kring den centrala kopparjonen. Koordinationstalet är alltså 6 för vatten kring kopparjonen.

När koppar(II)kloriden späds med vatten byts kloridliganderna ut mot vatten och färgen övergår från grönt till blått.
Bild: CC

Om koncentrationen av kopparklorid ökar, så blir kloridjonerna vanligare. Då blir det också vanligare att kopparjoner binder en kloridjon så att koordinationskomplexet [CuCl]+ bildas. Formeln anger inte antalet vatten som också koordinerar till kopparjonen, men det finns också vattenmolekyler som binder. Därför är en mer komplett formel för komplexet [CuCl(H2O)5]+ om koordinationstalet fortfarande är 6. En kloridjon har ersatt en vattenmolekyl. På grund av kloridjonens minusladdning är komplexets laddning bara +, inte 2+ som det rena akvakomplexet hade.

Vid ytterligare högre koncentration av kopparkloriden ökar antalet kloridjoner som ligander. Som mest binder 4 kloridjoner till den centrala kopparjonen. Koordinationstalet har därför minskat från 6 till 4. Kloridjonerna är nämligen mer skrymmande (c:a 3.62 Å diameter) än vattenmolekylerna (c:a 2.75 Å diameter). Formeln för komplexet blir [CuCl4]2–, eller helt enkelt CuCl42–.

Akvakomplexet för koppar är vackert blått, men kloridkomplexet går mera i grönt. Om du har saltet koppar(II)klorid och tillsätter lite vatten i taget för att lösa saltet, så får du först den vackert gröna färgen för kloridkomplexet. Så småningom övergår färgen till blått när lösningen blir mera utspädd.

Oladdade komplex har lägre löslighet i vatten

En intressant sak är att lösligheten i vatten för komplex minskar drastiskt när komplexet är oladdat. När den tvåvärda kopparjonen koordinerar två stycken av de envärda kloridjonerna, så blir totalladdningen noll, dvs.
Cu2+ + 2 Cl ⇄ CuCl2

Lösligheten följer principen ”lika löser lika”. Eftersom vatten är ett starkt polärt ämne, så löser sig joner i vattnet lättare än oladdade partiklar.

Jämvikt

Jämvikt bygger på att en reaktion sker i framriktningen och tillbakariktningen samtidigt och att reaktionshastigheterna är lika stora. Det innebär att det totalt sett inte sker någon förändring, trots att reaktionerna hela tiden pågår. Man säger att jämvikten är dynamisk därför att det är en pågående process.

Med reaktionsformel så ser jämvikten mellan ämne A och ämne B ut på följande sätt:

A ⇄ B

En liknelse för att förklara jämvikten

Föreställ dig att en hink med vatten står under kranen som är öppen. Men det finns ett hål i hinkens botten där vatten rinner ut. De reaktioner vi tittar på är tillförsel av vatten till hinken (framriktningen) och bortförsel av vatten från hinken (tillbakariktningen).

Vatten utanför hinken motsvarar A i jämvikten ovan, och vatten inuti hinken motsvarar B. Vi kan då skriva jämvikten med ord på följande sätt:

vatten utanför hinken (A) ⇄ vatten inuti hinken (B)

Vi öppnar kranen

Innan vi öppnar kranen, så är hinken tom, men så snart vi öppnar kranen börjar hinken fyllas med vatten. I början är vattennivån låg och det rinner inte ut vatten genom hålet lika snabbt som vatten fylls på från kranen. Det innebär att vattennivån i hinken ökar. Jämvikten har inte ännu ställt in sig.


Vid det högre vattenflödet från kranen till hinken (höger bild), så stabiliseras vattenytan på en högre nivå.
Bild: Svante Åberg

Men ju högre vattennivån blir, desto snabbare rinner vatten ut genom hålet. Till slut rinner vatten ut lika snabbt som det fylls på.

Detta tillstånd får man vid en bestämd vattennivå i hinken som svarar mot ett visst tryck hos vattnet. Denna nivå är jämviktsnivån.

Trots att vi har pågående reaktion i framriktningen (A → B) och samtidigt i tillbakariktningen (A ← B), så är vattennivån stabil. Detta stabila tillstånd, trots pågående reaktioner, kallas dynamisk jämvikt.

Vi ändrar flödet

Om vi sedan skulle ändra kranen så att det tillförs vatten snabbare eller långsammare, så skulle vattennivån i hinken börja förändras igen. Så småningom skulle en ny jämvikt ställa in sig på en annan vattennivå.

Ett högt flöde från kranen ger en hög jämviktsnivå i hinken, ett lågt flöde ger en låg jämviktsnivå.

Exempel på jämvikter

Esterjämvikten

Man kan tillverka väldoftande luktämnen genom att låta alkohol och syra reagera med varandra så att ester och vatten bildas.

alkohol + syra → ester + vatten

Från början finns ingen ester och inget vatten, bara alkohol och syra. Reaktionen sker därför bara åt höger. Men när det väl har bildats en del ester och vatten, så börjar det ske en reaktion åt andra hållet så att alkohol och syra återbildas. Men tillbakareaktionen är långsam i början eftersom det finns så lite ester och vatten som kan reagera.

alkohol + syra ← ester + vatten (långsam i början)

Med tiden bildas det alltmera ester och vatten, vilket gör att tillbakareaktionen blir snabbare. Samtidigt minskar mängden alkohol och vatten, vilket gör att framåtreaktionen blir långsammare. Till slut är tillbakareaktionen lika snabb som framåtreaktionen. Då har dynamisk jämvikt ställt in sig.

alkohol + syra ⇄ ester + vatten

Löslighetsjämvikt

Salter är lösliga i vatten, men bara upp till en viss gräns. När saltlösningen blivit mättad, så är systemet i jämvikt. Exempel på ett salt är natriumklorid, det vill säga vanligt koksalt.

NaCl(s) ⇄ Na+ + Cl

En sak som är speciell i detta fall är att koncentrationen av salt i fast form är konstant, oberoende av hur mycket fast salt vi har. Det innebär att reaktionen i framriktningen alltid är lika snabb.

Däremot varierar koncentrationen av natriumjoner och kloridjoner. I början finns inga natrium- och kloridjoner i lösning. Då sker bara reaktionen i framriktningen.

Men ju mer natrium- och kloridjoner som går i lösning, desto snabbare blir tillbakareaktionen. Till slut faller koksalt ut lika snabbt som det går i lösning. Då har vi fått dynamisk jämvikt.

Jämviktsläget

Massverkans lag

Massverkans lag anger att när ämnen reagerar med varandra, så är reaktionshastigheten proportionell mot koncentrationen av de partiklar som reagerar. Det är en statistisk effekt som kommer av att en kemisk reaktion bara kommer till stånd om de reagerande partiklarna kolliderar. Om koncentrationen av partiklar är hög, så blir det många kollisioner per sekund. Då är det också fler partiklar som reagerar varje sekund – reaktionshastigheten blir hög.

I en jämvikt sker reaktion både i framriktningen (åt höger) och i tillbakariktningen (åt vänster). Jämviktsläget beror på reaktionshastigheten åt höger i jämförelse med den åt vänster. Jämvikt fås när hastigheten åt höger och åt vänster är lika. Det betyder att lika mycket bildas som det som förbrukas. Nettoförändringen blir noll.

Man har så kallad dynamisk jämvikt. Ordet dynamisk anger att reaktionerna hela tiden pågår. Men i och med att inga nettoförändringar sker, så har man jämvikt.

Sannolikheten för kemisk reaktion vid en kollision

Det är emellertid inte varje kollision som leder till kemisk reaktion. Kemisk reaktion innebär att bindningar bryts i den gamla partikeln och nya skapas som ger ett nytt ämne. Men oftast studsar partiklarna bort från varandra utan att reagera. Om partiklarna inte är rätt orienterade i förhållande till varandra vid kollisionen, så sker ingen kemisk reaktion.

Aktiveringsenergin måste övervinnas för att reaktion ska ske

Inte heller sker någon reaktion om kollisionsenergin är för liten. Rörelseenergin i kollisionen måste övervinna den energitröskel det innebär att bryta de gamla bindningarna. Inte förrän dessa är brutna kan nya bildas. Denna energitröskel benämns aktiveringsenergi.

När energinivåerna skiljer, så påverkar det jämviktsläget

Om ämnena på ena sidan i reaktionsformeln är energirikare än ämnena på andra sidan, så är energitröskeln olika stor för reaktionen åt höger respektive åt vänster. (Figur som visar ett sådant exempel ska infogas här.)

När framåt- och bakåtreaktionen sker olika lätt, så påverkar det jämviktsläget. Om till exempel framåtreaktionen är kraftigt exoterm, så är energitröskeln i framriktningen låg och en stor andel av kollisionerna leder till reaktion. Men då blir samtidigt energitröskeln för reaktion i bakåtriktningen hög. Det krävs en hög koncentration av partiklar i högerledet av jämviktsreaktionen för att reaktionshastigheten åt vänster ska bli lika hög som den åt höger. En starkt exoterm jämvikt brukar därför vara starkt förskjuten åt höger.

Jämviktskonstanten är ett mått på jämviktsläget

För att få ett mått på jämviktslägen behöver man få en siffra på hur den aktuella kemiska reaktionen ställer in sig. Värdet hos jämviktskonstanten K återspeglar jämviktsläget. Ju större konstanten är, desto mer förskjuten åt höger är jämvikten. Exempel på en jämvikt som är väldigt starkt förskjuten åt höger är reaktionen mellan vätgas och syrgas då vatten bildas:

2 H2 + O2 ⇄ 2 H2O, K = 3,2·1081 M–1

En jämviktskonstant som är nära noll tyder på en jämvikts som är starkt förskjuten åt vänster. Exempel på en jämvikt som är starkt förskjuten åt vänster är vattnets autoprotolys:

2 H2O ⇄ H+ + OH, K = 1,0·10–14 M2 (lösningsmedlet vatten enhetslöst)

Exempel på en jämvikt som inte är så starkt förskjuten åt någotdera hållet är esterjämvikten:

alkohol + syra ⇄ ester + vatten, K ≈ 4

Le Chateliers princip

Henri Le Chatelier var en fransk kemist under senare delen av 1800-talet. Han arbetade som gruvingenjör i franska statens tjänst och blev så småningom professor, därefter ledamot i både Franska vetenskapsakademin och utländsk ledamot i svenska Vetenskapsakademien. Bland annat genomförde han studier över kemisk jämvikt. Han kom då fram till den princip som bär hans namn:

Om ett kemiskt system, där jämvikt råder, påverkas av en förändring i koncentration, temperatur eller totaltryck, kommer jämvikten att ändras så att förändringen motverkas.

Den kemiska jämvikten gör alltså motstånd mot förändringar, men kompenserar inte helt för den yttre påverkan som systemet utsatts för. Om till exempel etanol ingår som ett reagerande ämne i en jämvikt, och vi tillsätter mera etanol, så kommer reaktionen efter störningen av förbruka etanol. Men det blir inte riktigt hela tillsatsen av etanol som förbrukas, utan halten etanol i blandningen kommer faktiskt att vara lite högre sedan den nya jämvikten har ställt in sig.

Exempel på tillämpning av Le Chateliers princip

Estrar är väldoftande ämnen som kan framställas genom att låta alkohol och syra reagera med varandra så att ester och vatten bildas.

alkohol + syra ⇄ ester + vatten

Esterjämvikten är inte så starkt förskjuten åt höger. För att driva jämvikten hårdare åt höger kan man ta bort vatten som bildats. Det kan ske genom att man tillsätter torkmedel av till exempel vattenfri natriumsulfat. Natriumsulfatet binder upp vattnet så att det inte längre är tillgängligt i esterjämvikten.

Det vatten som tas bort ersätts, enligt Le Chateliers princip, genom att reaktionen går åt höger. Det innebär att ester bildas, samtidigt som alkohol och syra förbrukas. Det nya vatten som bildas tas också upp av torkmedlet, så reaktionen kan fortsätta ytterligare åt höger så att ännu mer ester bildas.

Estrar är opolära ämnen som är olösliga i vatten. Estern flyter därför som ett skikt ovan på vattenlösningen. Däremot är alkoholen och syran vattenlöslig. När man är nöjd med reaktionen, så kan skiktet av ester på ytan dekanteras av och man får ester i ganska ren form.

Exempel med bildning av ammoniak ur kvävgas och vätgas

Ett exempel är reaktionen när kvävgas reagerar med vätgas till ammoniakgas i den så kallade Haberprocessen:

N2(g) + 3 H2(g) ⇄ 2 NH3(g) + 92 kJ

Detta är en jämvikt mellan ämnen i gasform där vi har 4 delar gas i vänsterledet och 2 delar gas i högerledet. Reaktionen åt höger halverar antalet mol gas, vilket ger minskat gastryck om volymen hålls konstant. Reaktionen åt höger är exoterm, vilket innebär att inneboende energi hos ämnena avges och ombildas till värme.

Vi ska nu tillämpa Le Chateliers princip på denna jämvikt med några olika fall. Utgångspunkten är att systemet är i jämvikt. Därefter rubbar jämvikten på något sätt. Sedan förutsäger åt vilket håll reaktionen kommer att ske.

Tillförsel av kvävgas eller vätgas

I reaktionsformeln finns kvävgas och vätgas i vänsterledet. Om vi pumpar in mer kvävgas eller vätgas, så blir det "för mycket" kvävgas/vätgas i vänster led i förhållande till jämviktsläget. Reaktionen kommer att gå åt höger så att kvävgas och vätgas förbrukas. Det leder till att det bildas ammoniak. Dessutom avges värme, vilket gör att temperaturen höjs i systemet.

Tillförsel av ammoniak

Om vi pumpar in ammoniak blir det "för mycket" ammoniak i högerledet. Reaktionen sker då åt vänster så att mängden ammoniak minskar och det bildas mera kvävgas och vätgas. Reaktionen är endoterm, det vill säga den förbrukar energi. Därför sjunker temperaturen.

Bortförsel av ammoniak

Om vi på något sätt kan ta bort ammoniak från reaktionsblandningen, till exempel med en reaktion som binder upp ammoniakgas så att den inte kan delta i jämvikten längre, så blir det "för lite" ammoniak i högerledet. Det leder till att reaktion sker åt höger för att ersätta ammoniak som försvunnit. Kvävgas och vätgas förbrukas så att mängden av dem minskar. Reaktionen åt höger är exoterm, vilket leder till att temperaturen ökar.

Vi värmer reaktionsblandningen

Genom att värma reaktionsblandningen kan vi öka dess temperatur. Enligt Le Chateliers princip reagerar då systemet för att motverka temperaturökningen. Reaktionen sker då i endoterm riktning, det vill säga åt vänster. Det medför att ammoniak förbrukas och det bildas kvävgas och vätgas.

Ökning av trycket genom att minska volymen

Detta är en gasjämvikt, vilket innebär att systemet är känsligt för ändringar i volymen. Gaskoncentrationen ökar när vi komprimerar gasen genom att minska volymen.

Detta leder till en ökning av gastrycket. Systemet reagerar genom att motverka tryckökningen. Eftersom det är 4 delar gas i vänsterledet, men bara 2 delar gas i högerledet, så leder en reaktion åt höger till att gastrycket minskar. Minskningen av volymen gör därför att kvävgas och vätgas förbrukas och ammoniak bildas. Samtidigt är reaktionen åt höger exoterm, vilket gör att temperaturen ökar.

Minskning av trycket genom att öka volymen

Detta är motsatsen till föregående fall. När volymen ökar, så minskar gastrycket. Systemet motverkar tryckminskningen genom att reaktionen sker åt vänster så att antalet mol gas ökar. Reaktionen åt vänster är endoterm, vilket ger sänkt temperatur.

Den nya jämvikten som ställer in sig

Även om systemet motverkar den rubbning av systemet som vi orsakade, så kan systemet inte fullt ut kompensera för den påverkan som vi orsakade.

Om vi till exempel pumpar in extra kvävgas, så sker reaktionen åt höger så att kvävgas förbrukas. Men koncentrationen kvävgas, sedan den nya jämvikten ställt in sig, kommer inte att återgå helt till den koncentration som rådde vid den ursprungliga jämvikten, utan det blir kvar en rest av den påverkan som vi skapade. Därför är koncentrationen av kvävgas aningen högre i den nya jämvikten.

Detta kompenseras av att koncentrationen av vätgas är något lägre i den nya jämvikten än i den ursprungliga. På motsvarande sätt blir koncentrationen av ammoniak något högre i den nya jämvikten, än i den ursprungliga.

Inverkan av trycket

Det som styr jämvikten, vad gäller de ingående ämnena, är ämnenas koncentrationer. Jämviktens läge har att göra med reaktionshastigheten åt höger i jämförelse med reaktionshastigheten åt vänster. Eftersom kemisk reaktion sker i samband med att partiklar kolliderar, så är hastigheten koncentrationsberoende. Högre koncentration, ger högre hastighet.

Det är bara gaser som påverkas av trycket. Det beror på att gaser komprimeras av ett högre tryck, men vätskor och fasta ämnen är nästan inte alls komprimerbara. Därför är effekten av tryck på jämvikten bara något som man behöver ta hänsyn till när man har gaser i systemet.

Exempelvis påverkas inte jämvikten mellan fast och löst natriumklorid av trycket.

NaCl(s) ⇄ Na+(aq) + Cl(aq)

NaCl(s) är ett fast ämne vars volym inte ändras märkbart vid ändrat tryck. Natriumjonerna och kloridjonerna i vattenlösning påverkas inte heller eftersom vattenvolymen inte påverkas av trycket, i varje fall inte så länge som vattnet är i vätskeform.

Fysikaliska reaktioner

Le Chateliers princip är utformad för kemiska jämvikter. Principen fungerar dock i princip även för fysikaliska förändringar, till exempel övergångar mellan olika aggregationsformer.

För fysikaliska förändringar blir dock bilden rätt komplicerad när man behöver ta hänsyn till att mekaniskt arbete utförs, till exempel när gaser expanderar. Även temperaturförändringar vid adiabatisk expansion eller kompression inverkar. Då är vi inne på termodynamik, vilket vi inte tar upp närmare just nu.

Litteratur

  1. Gunnar Hägg, Allmän och oorganisk kemi, 1984, Almqvist & Wiksell, Uppsala.
  2. Douglas A. Skoog, Donald M. West, F. James Holler, Fundamentals of Analytical Chemistry, 6th edition, 1992, Saunders College Publishing.
  3. F. Albert Cotton, Geoffrey Wilkinson Advanced Inorganic Chemistry, 4th edition, 1980, John Wiley & Sons, Inc., New York.
  4. Scandinavian Copper Development Association (SCDA) - Hemsida, SCDA
    http://www.scda.com/sv/las_nyhet.asp?Id=200207051545.txt (2002-12-04)
  5. Materialguiden: Koppar och kopparlegeringar, Riksantikvarieämbetet
    http://www.raa.se/materialguiden/index.asp?page=mat_show&matid=20 (2003-01-02)
  6. Methods of Conserving Archaeological Material from Underwater Sites, Donny L. Hamilton, Nautical Archaeology Program
    http://nautarch.tamu.edu/class/anth605/File0.htm (2004-06-15)

Fler experiment


fysikalisk kemi
Avdunstning och temperatur
Bestäm CMC för diskmedel
Bestämning av antalet kristallvatten i kopparsulfat
Blandningar av lösningsmedel
Blå himmel och röd solnedgång
Blåsa ballong med hjälp av PET-flaska
Brus-raketen
Den frysande bägaren
Den tillknycklade plåtburken
Den tunga koldioxiden
Diffusionshastigheten hos ammoniak respektive väteklorid - en jämförelse
Diska med äggula
En märklig planta
Enzymaktivitet i ananas
Enzymkinetik för katalas
Ett glas luft
Ett lysande experiment - Kemiluminiscens
Ett målande experiment - att rengöra en målarpensel
Flaskor mun mot mun
Flyter isen i matoljan?
Frigolit i aceton
Fryspunktsnedsättning
Försvinnande bläck
Gasvolym och temperatur
Gelégodis i vatten
Gore-Tex, materialet som andas
Gummi och lösningsmedel
Gummibandets elasticitet
Gör ett avtryck från papper till stearin
Hockey-visir
Hur fungerar en torrboll?
Hur mycket vatten finns i maten?
Håller bubblan?
Identifiera plasten
Kemisk jämvikt hos ett osynligt bläck
Kemiskt snöfall
Klorofyllets röda fluorescens
Koka vatten i en spruta
Kondomen i flaskan
Kristallodling
Kristallvatten i kopparsulfat
Ljuset under glaset
Lödtenn 60
Löslighet och pH - En extraktion
Maizena gör motstånd
Majonnäs - en emulsion
Maskrosen som krullar sig
Matoljans viskositet och omättade fettsyror
Mentos-pastiller i kolsyrad läsk
Molnet i flaskan
Målarfärgens vattengenomsläpplighet
Mät CMC med hjälp av droppstorleken
När 1 plus 1 inte är 2
När flyter potatisen?
Olja som lösningsmedel
Osmos i ett ägg
Osmos i potatis
Osynlig gas
pH i kokt mineralvatten
Platta yoghurtburkar
Salta isen
Saltat islyft
Se genom papper
Smältpunkten för legeringen lödtenn
Snöflingeskådning
Stärkelse och vatten - fast eller flytande?
Såpbubblor
Tillverka din egen glidvalla
Tillverka en ytspänningsvåg
Trolleri med vätskor
Undersök en- och flervärda alkoholer
Utfällning av aluminium
Utsaltning av alkohol i vatten
Varför slipper bilen varma yllekläder på vintern?
Varför smäller inte ballongen?
Vattenrening
Vattenvulkan
Visa ytspänning med kanel
Vispa grädde
Värmeutvidgning
Åka hiss
Ägget i flaskan
Älskling, jag krympte ballongen

jämvikt
Anden i flaskan
Att döda bakterier - kan Klorin & Javex va´ nå´t?
Avdunstning och temperatur
Bestämning av antalet kristallvatten i kopparsulfat
Brus-raketen
Den frysande bägaren
Den omöjliga tvålen - den är preparerad!
Flaskor mun mot mun
Framställ väldoftande luktämnen
Fryspunktsnedsättning
Färgämnen i M&M
Försvinnande bläck
Gasvolym och temperatur
Gummi och lösningsmedel
Hockey-visir
Hur fungerar en torrboll?
Hur smakar salmiak?
Innehåller koksaltet jod?
Kemi i en brustablett
Kemi i en plastpåse
Kemisk jämvikt hos ett osynligt bläck
Kemiskt snöfall
Koka vatten i en spruta
Kondomen i flaskan
Kristallodling
Kristallvatten i kopparsulfat
Luftfuktighet och rostbildning
Löslighet och pH - En extraktion
Maskrosen som krullar sig
Massverkans lag och trijodidjämvikten
Molnet i flaskan
När flyter potatisen?
Osmos i potatis
pH i kokt mineralvatten
pH-förändringar vid fotosyntes
Principen för dynamisk jämvikt
Reaktionshastighet med permanganat
Saltat islyft
Superabsorbenter i blöjor
Utfällning av aluminium
Utsaltning av alkohol i vatten
Varför äter vi Samarin?
Åka hiss
Ägget i flaskan
Älskling, jag krympte ballongen

kemisk bindning
Att vara kemisk detektiv
Bestäm CMC för diskmedel
Blandningar av lösningsmedel
Diska med äggula
Ett målande experiment - att rengöra en målarpensel
Frigolit i aceton
Färga ullgarn med svampar
Gore-Tex, materialet som andas
Gummi och lösningsmedel
Gummibandets elasticitet
Gör ett avtryck från papper till stearin
Gör hårt vatten mjukt
Hur kan man göra kläder av plast?
Hur mycket vatten finns i maten?
Håller bubblan?
Kemisk vattenrening
Kristallvatten i kopparsulfat
Lödtenn 60
Målarfärgens vattengenomsläpplighet
Mät CMC med hjälp av droppstorleken
När 1 plus 1 inte är 2
Permanenta håret
Slime
Studsboll
Såpbubblor
Tag bort rostfläcken med det ämne som gör rabarber sura
Tillverka din egen glidvalla
Tillverka en ytspänningsvåg
Tillverka papperslim
Trolleri med vätskor
Tvätta i hårt vatten
Undersök en- och flervärda alkoholer
Varför färgas textiler olika?
Vattenrening
Visa ytspänning med kanel