Le Chatelier: Jos tasapainossa olevaan reaktioseokseen vaikuttaa jokin ulkoinen häiriö eli paineen (kaasujen tapauksessa), lämpötilan tai konsentraation muutos, pyrkii reaktio kulkemaan siihen suuntaan, jossa häiriö lievenee. Toisin sanoen tasapainossa oleva reaktio pyrkii kumoamaan ulkoisen pakotteen vaikutuksen.

Wikipedia selittää tämän asian konkreettisesti näin:

Lämpötilan muutoksen vaikutus

Lämpötilan nosto siirtää eksotermisen reaktion tasapainoa lähtöaineiden puolelle eli siihen suuntaan missä lämpöä sitoutuu. Lämpötilan lasku taas lisää tuotteita eli reaktio siirtyy suuntaan missä lämpöä vapautuu. Endotermisessa reaktiossa lämpötilan lasku ja nousu vaikuttavat vastakkaisiin suuntiin kuin eksotermisessa reaktiossa eli lämpötilan nousu lisää tuotteiden määrää ja lasku lisää lähtöaineiden määrää.

Paineen muutoksen vaikutus

Paine vaikuttaa reaktion tasapainoon vain, jos reaktioon ottaa osaa kaasuja ja reaktioyhtälön molemmin puolin on eri määrä kaasumooleja. Paineen lisäys aiheuttaa reaktion siihen suuntaan, jossa kaasumolekyylien lukumäärä on pienempi. Paineen lasku taas aiheuttaa reaktion siihen suuntaan, jossa kaasumolekyylien lukumäärä on suurempi.

Konsentraation muutoksen vaikutus

Jos reaktiotuotteita tuodaan lisää tai reaktion lähtöaineita vähennetään, reaktion tasapainotila siirtyy vasemmalle eli lähtöaineiden puolelle. Vastaavasti jos lähtöaineiden konsentraatiota kasvatetaan tai reaktiotuotteiden konsentraatiota pienennetään, reaktion dynaaminen tasapaino siirtyy oikealle, jolloin siis tuotteita saadaan enemmän. Tätä hyödynnetään monissa kemiallisissa reaktioissa, kuten esimerkiksi ammoniakkisynteesissä. Siinä reaktiotuotteena olevaa ammoniakkia poistetaan reaktoreista jatkuvasti ja lähtöaineita, vety- ja typpikaasua, lisätään koko ajan, minkä ansiosta kyseisen reaktion dynaaminen tasapainotila on vahvasti oikealla. Näin saadaan reaktiotuotetta eli ammoniakkia enemmän.

Nämä antavat hyvän kuvan mitä konkreettisessa tilanteessa tapahtuu, mutta tärkeää on ymmärtää itse periaate, tapauskohtaisesti asia n pohdinta on silloin helppoa.

Tunnin teema oli massavaikutuksen laki ja tasapainovakio. Tasapainovakio on jatkossa merkittävässä roolissa kaikissa laskuissa. Oheisen kaavan mukaan tasapainovakio määritellään reaktiotuotteiden konsentraatioiden ja lähtöaineiden konsentraatioiden suhteena (reaktioyhtälön kertoimilla eksponenttiin korotettuna). Laskuesimerkkejä löytyy erinomaisesti opetus.tv -palvelusta: http://opetus.tv/kemia/ke5/reaktiotasapaino/ .

Tunnin teemana oli homogeeninen tasapaino, miten muodostuu ja mistä sen voi päätettä (mm. graafisesti). Ensin täytyy hahmottaa ja ymmärtää, miten reaktioiden nopeuteen vaikuttavat tekijät voidaan selittää törmäysteorialla ja siirtymätilateorialla. Homogeenisen  tasapainon havainnollistaminen graafiselle kuvalla oli tunnin konkreettinen anti. Vieressä kuva, jossa vetyjodin muodostumisen ja hajoamisen reaktiot muodostavat tasapainon.    

Lukion kemian 5.kurssi käynnistyi. Kurssikirjana on SanomaPron (ent. Tammen) Reaktio 5. Kurssin oppimisympäristönä toimii Yammer (www.yammer.com). Ensimmäinen tunti sisälsi kurssin tavoitteiden läpikäyntiä. Kurssi sisältö on tiivistetysti tässä:

• Kemiallinen tasapaino: Homogeeninen kemiallinen tasapaino, Tasapainoaseman muuttaminen
• Hapot ja emäkset: Happojen ja emästen ominaisuuksia, Happamuus ja emäksisyys
• Happo-emästasapaino: Protolyysivakiot ja liuoksen pH, Happovakio, emäsvakio, Polyproottiset hapot
• Happo-emästasapainon sovellutuksia: Suolaliuokset, Puskuriliuokset, Happo-emästitraus ja pH
• Liukoisuustasapaino: Suolojen liukoisuus veteen, Liukoisuustulo

Kurssin arviointi toteutunee seuraavalla kaavalla:

• Laskutehtävien palautus (4 x 5 kpl, 20 p), puuttuvista ”miinustetaan pisteitä”
• Kaksi pistokoetta (5 p + 5 p), www.socrative.com
• Työselostus kurssin aikana tehdystä kokeellisesta työstä (15 p)
• Käsitetesti koeviikolla (15 p)
• YHTEENSÄ 60 p, eli läpi pääsee 20 pisteellä eli tekemällä tehtävät kunnolla

Uuden haasteen antaa lukiolaisille laskutehtävien palautus ja opettajalle niiden arviointi. Se olisi helpompaa toteuttaa Edmodossa, muta koetetaan selviytyä Yammerilla.

Taas oli ylioppilaskoepäivä ja puolet ryhmästä poissa. Käytiin läpi kurssin aikana esille nousseita käsitteitä, mietittiin niiden selityksiä ja sitä, mitä ne eivät ole esimerkkien valossa.

Kurssin yhtenä osasuorituksena on tutkielma, jostakin kemiallisesta aineryhmästä (ei orgaanisen kemian). Teemoiksi tuli mm. happamoituminen, metallien ja epämetallien oksidit, emäksiset ja happamat oksidit, peroksidit, proteiinit, luonnon  komposiitteja, nukleiinihapot, elämän metallit, malmista metalliksi, raudan ja teräksen valmistus, typpiyhdisteet, tekstiilit, fosforihappo ja fosforiyhdisteet, polysakkaridit, halogeenit …

Tunnilla otettiin esimerkkejä tutkielman laatimisesta ja sisällöstä:

Alkuaineiden vety-yhdisteet

• katsotaan mitä jaksollinen järjestelmä kertoo meille vedystä ja sen ominaisuuksista, hapetusluku, millaisia yhdisteitä tämän perusteella voi olettaa syntyvän
• katsotaan vedyn asema elektronegatiivisuustaulukossa. mitää se tarkoittaa mm. em. yhdisteiden osalta ja / tai hapetusluvun määräytymisen osalta
• vedyn merkitys sähkökemiallisessa jännitesarjassa – epäjalot ja jalot metallit
• konkreettisia yhdisteryhmiä: joidenkin metallien vety-yhdisteet eli hydridit; metallit, joiden kanssa vety ei reagoi, mutta jotka toimivat vedytyksessä katalyytteinä (miksi ja miten); – epämetallien vety-yhdisteet (kovalenttisin sidoksin) hiiliryhmän, typpiryhmän, happiryhmän ja halogenidien kanssa

Venyvät materiaalit

• sidokset! vahvat ja heikot sidokset eri yhdisteissä
• käyttötarkoitus, kestävyys, sulamispisteet, kovettumispisteet

Peroksidit

• happi jaksollisessa järjestelmässä ja hapetusluku – peroksidin poikkeava tilanne
• elektronegatiivisuus
• peroksidin avaruusrakenne
• vetyperoksidin hajoaminen – esimerkki
• vrt. superoksidi

 

Tunti alkoi odotellessa abien saapumista päivänavausharjoituksistaan. Tunnin aiheena oli sähkövirran ja käytetyn ajan merkitys elektrolyysissä. Tähän palataan perjantaina annettujen tehtävien kautta.

Tunnilla käytiin läpi tulevien työselostuksien rakennetta. Yammerissa on sitä varten selkeä ohje. työselostuksen merkitys kurssilla on merkittävä. Maksimipisteet ovat 30 p. Työselostuksen tärkeimpiä asioita ovat:

– asiat esitetään aina kemian teorian kautta, aina kun on ”aihetta on” kirjataan kemiallinen reaktioyhtälö, puhumattakaan kemiallisista merkeistä – jos esim. todetaan että natrium hapettuu, pitää merkitä natrium Na hapettuu (näiden puuttuminen on -10 p)

– mm. virhetulkinnoissa ei viitata naapurin tekemisiin ja siihen, mitä reaktiossa, välineissä ym. voisi olla sellaista, mikä aiheuttaa virheitä tuloksissa

– työselostuksen kuvittaminen ja kuvien selittäminen ovat erinomainen asia; autenttisuuden luomisella ja tilanteen kuvaaminen viittaamalla kuvissa esiintyviin asioihin tuo lisäpisteitä (jotka voivat kompensoida pieniä asiavirheitä)

 

Päivän tunnin sisältö oli kokeellista kemiaa. Osa porukkaa rakenteli Daniellin kennoja onnistumatta, yksi ryhmä rakensi perusversion lyijyakusta onnistuen siitä, kaksi ryhmä lähti selvittämään rauta
naulan ruostumista ja testaavat erilaisia korroosion estovaihtoehtoja. Kaksi ryhmä rakensivat elektrolyysilaitteista, toinen kaliumjodidin KI:n elektrolyysiä varten ja toinen veden hajotusta eli veden elektrolyysiä varten.  Kuvassa juuri kaliumjodidin eletkrolyysi, U-putkessa takana vapautuu jodia (ruskea aine) ja edessä vapautunut kalium reagoi veden kanssa muodostaen emäsiset olosuhteet (hydroksidi-ioneja). Fenoliftaleiini antaa lilan värin.

 

Tämän päivän tunti jatkoi edellisten tuntien teemoja. Tehtävien tekemisessä katsottiin ensin, oliko asia ratkaistavissa pelkästään sähkökemiallisen jännitesarjan avulla. Eli katsotaan, mikä on kahden metallinen asema ko. sarjassa. Mitä epäjalompi metalli on, sitä helpommin se hapettuu ja on siis ionimuodossa. Esim. Cu2+ ja Fe2+ -liuoksien tapauksessa täytyi miettiä kumpi pelkistyy, kumpi hapettuu. Molemmat mielellään pelkistyvät, mutta kuparin ollessa jalompi, sen täytyy pelkistyä. Raudan kohdalla täytyy selvittää voisiko se hapettua Fe2+ -ionista Fe3+-ioniksi. Tässä tapauksessa sitten verrataan hapettumis- ja pelkistymisreaktion normaalipotentiaaliarvoja ja kokonaisreaktion normaalipotentiaalia. Todetaan, että kokonaisreaktion arvo on alle 0, joten reaktio ei ole spontaani.

Lopputunnista käytiin vielä lyhyesti läpi raudan korroosiota hapettumis- ja pelkistysmireaktioiden ja niiden normaalipotentiaalien näkökulmasta. Niistä voimme päätellä, että reaktio on spontaani. Osittaisreaktioita ovat:

Veteen liuennut happi pyrkii pelkistymään:

• O2 (aq) + 2 H2O(l) + 4 e- → 4 OH- (aq) tai  E= + 1,40 V
• O2 (aq) + 4 H+ (aq) + 4 e- → 2 H2O(l)  E= + 1,23 V

Tämä reaktio kuluttaa raudan hapettuessa vapautuvia elektroneja:

• Fe (s) → Fe2+ (aq) + 2e-  E= -0,44 V

Ruostumisen ensimmäisessä vaiheessa muodostunut rauta(II) –ionit hapettuvat edelleen rauta(III)-ioneiksi. Nämä muodostavat edelleen vaihtelevan määrän kidevettä sisältävää rauta(III)oksidia Fe2O3 • x H2O, ruostetta.