Vad definierar jämvikt? Kan alla reaktioner nå jämvikt?

Det är en mycket bra reflektion och faktum är att alla reaktioner faktiskt är jämvikter. Om man räknar ut ändringen i Gibbs fria energi för en reaktion kan man bestämma jämviktskonstanten utifrån följande ekvation:

$\Delta G^o=-RT\ln K$

Det finns två saker som gör att vi inte observerar koldioxid som förenar sig med vatten och bildar kolväten och syre:

1. Jämviktskonstanten för en förbränning är extremt hög, så vid jämvikt kanske det bara finns några enstaka molekyler av reaktanterna. Det är i så fall helt omöjligt att detektera dem och den mängden är dessutom helt försumbar på alla tänkbara vis. Men rent teoretiskt så finns partiklarna där.
2. Naturen styrs av en blandning av termodynamik och kinetik. Termodynamiken säger var ett system befinner sig vid tidens slut, dvs var jämviktsläget finns. En jämviktskonstant säger dock ingenting om hur lång tid det tar att nå dit. Det är där kinetiken kommer in, för många reaktioner sker väldigt långsamt. Exempel: Ett träd borde egentligen inte kunna existera sett ur jämviktsperspektiv. Det borde direkt reagera med syret i luften och brinna upp. Det är dock en extremt långsam reaktion vid den temperatur som råder på jorden så reaktionen är inte märkbar. Men rent teoretiskt "brinner" trädet hela tiden.

Teraeagle skrev:

Det är en mycket bra reflektion och faktum är att alla reaktioner faktiskt är jämvikter. Om man räknar ut ändringen i Gibbs fria energi för en reaktion kan man bestämma jämviktskonstanten utifrån följande ekvation:

$\Delta G^o=-RT\ln K$

Det finns två saker som gör att vi inte observerar koldioxid som förenar sig med vatten och bildar kolväten och syre:

1. Jämviktskonstanten för en förbränning är extremt hög, så vid jämvikt kanske det bara finns några enstaka molekyler av reaktanterna. Det är i så fall helt omöjligt att detektera dem och den mängden är dessutom helt försumbar på akka tänkbara vis. Men rent teoretiskt så finns partiklarna där.
2. Naturen styrs av en blandning av termodynamik och kinetik. Termodynamiken säger var ett system befinner sig vid tidens slut, dvs var jämviktsläget finns. En jämviktskonstant säger dock ingenting om hur lång tid det tar att nå dit. Det är där kinetiken kommer in, för många reaktioner sker väldigt långsamt. Exempel: Ett träd borde egentligen inte kunna existera sett ur jämviktsperspektiv. Det borde direkt reagera med syret i luften och brinna upp. Det är dock en extremt långsam reaktion vid den temperatur som råder på jorden så reaktionen är inte märkbar. Men rent teoretiskt "brinner" trädet hela tiden.

Intressant! Så jag ska då anta att alla reaktioner som sker är reversibla? Och alltid skriva i en reaktionsformel att reaktionen går båda hållen?

Räkneexempel för förbränning av butan:

$2C_4H_{10}+13O_2\rightleftarrows 8CO_2+10H_2O$

Beräkning av Gibbs fria energi ger:

$\Delta G^o=-5500 kJ/mol$

Då får vi följande jämviktskonstant vid 25 grader:

$K=e^{5,5\cdot 10^6/(8.3145\cdot 298)}\approx 10^{964}$

Det betyder att jämviktskonstanten är en etta följt av 964 nollor! Med en så hög jämviktskonstant går det inte ens att beräkna hur mycket av reaktanterna som finns kvar vid jämvikt. En vanlig miniräknare klarar absolut inte av att hantera så höga tal som jämviktskonstanten motsvarar.

Om man antar att det finns 1 bar syre, 1 mol/dm³ vatten, 1 bar koldioxid vid jämvikt så skulle det finnas 10^-482 bar butan kvar vid jämvikt. Räknar man om det till koncentration så motsvarar det ungefär 10^-484 mol/dm³ butan vid jämvikt. Räknar man om det till molekyler så motsvarar det ungefär 10^-460 molekyler/dm³. Med andra ord måste man ha en volym på ungefär 10⁴⁶⁰ dm³ för att ha en rimlig chans att hitta en enda butanmolekyl i en sådan jämviktsblandning. För jämförelse så är hela jordens volym ungefär 10²⁴ dm³ och hela Vintergatans volym ungefär 10⁶⁴ dm³. Det är alltså inte ens sannolikt att man skulle hitta en enda butanmolekyl i hela Vintergatan med dessa förutsättningar!

Så ja, jämvikten finns där teoretiskt men det blir inte mer än just teori.

plzhelpmath skrev:

Teraeagle skrev:

Det är en mycket bra reflektion och faktum är att alla reaktioner faktiskt är jämvikter. Om man räknar ut ändringen i Gibbs fria energi för en reaktion kan man bestämma jämviktskonstanten utifrån följande ekvation:

$\Delta G^o=-RT\ln K$

Det finns två saker som gör att vi inte observerar koldioxid som förenar sig med vatten och bildar kolväten och syre:

1. Jämviktskonstanten för en förbränning är extremt hög, så vid jämvikt kanske det bara finns några enstaka molekyler av reaktanterna. Det är i så fall helt omöjligt att detektera dem och den mängden är dessutom helt försumbar på akka tänkbara vis. Men rent teoretiskt så finns partiklarna där.
2. Naturen styrs av en blandning av termodynamik och kinetik. Termodynamiken säger var ett system befinner sig vid tidens slut, dvs var jämviktsläget finns. En jämviktskonstant säger dock ingenting om hur lång tid det tar att nå dit. Det är där kinetiken kommer in, för många reaktioner sker väldigt långsamt. Exempel: Ett träd borde egentligen inte kunna existera sett ur jämviktsperspektiv. Det borde direkt reagera med syret i luften och brinna upp. Det är dock en extremt långsam reaktion vid den temperatur som råder på jorden så reaktionen är inte märkbar. Men rent teoretiskt "brinner" trädet hela tiden.

Intressant! Så jag ska då anta att alla reaktioner som sker är reversibla? Och alltid skriva i en reaktionsformel att reaktionen går båda hållen?

Praxis är att man skippar jämviktspilarna när det är en reaktion där jämvikten uppenbarligen är helt försumbar, t.ex. som i exemplet med förbränning.

Teraeagle skrev:

plzhelpmath skrev:

Visa föregående citat

Teraeagle skrev:

Det är en mycket bra reflektion och faktum är att alla reaktioner faktiskt är jämvikter. Om man räknar ut ändringen i Gibbs fria energi för en reaktion kan man bestämma jämviktskonstanten utifrån följande ekvation:

$\Delta G^o=-RT\ln K$

Det finns två saker som gör att vi inte observerar koldioxid som förenar sig med vatten och bildar kolväten och syre:

1. Jämviktskonstanten för en förbränning är extremt hög, så vid jämvikt kanske det bara finns några enstaka molekyler av reaktanterna. Det är i så fall helt omöjligt att detektera dem och den mängden är dessutom helt försumbar på akka tänkbara vis. Men rent teoretiskt så finns partiklarna där.
2. Naturen styrs av en blandning av termodynamik och kinetik. Termodynamiken säger var ett system befinner sig vid tidens slut, dvs var jämviktsläget finns. En jämviktskonstant säger dock ingenting om hur lång tid det tar att nå dit. Det är där kinetiken kommer in, för många reaktioner sker väldigt långsamt. Exempel: Ett träd borde egentligen inte kunna existera sett ur jämviktsperspektiv. Det borde direkt reagera med syret i luften och brinna upp. Det är dock en extremt långsam reaktion vid den temperatur som råder på jorden så reaktionen är inte märkbar. Men rent teoretiskt "brinner" trädet hela tiden.

Intressant! Så jag ska då anta att alla reaktioner som sker är reversibla? Och alltid skriva i en reaktionsformel att reaktionen går båda hållen?

Praxis är att man skippar jämviktspilarna när det är en reaktion där jämvikten uppenbarligen är helt försumbar, t.ex. som i exemplet med förbränning.

Okej tack! Finns det några andra exempel? Eller finns det någon tumregel för reaktioner där man ska ha jämviktspilar? T.ex som när ett salt bildas? 

Edit: Och en fråga till! Angående förbränning av tex kolväten, enligt definitionen går ju reaktionerna åt båda håll? Trots att jämvikten är så hög att det inte går att räkna reaktanterna, betyder det inte att det också bildas kolväte vid jämvikten då? Hur går det till? Hur kan en sån reaktion gå åt vänster?

T.ex som när ett salt bildas? 

Det beror helt på hur det bildas. Det där med enkel/dubbel pil är lite som att lära sig ifall det ska vara en/ett. Det krävs träning, men till slut har man lärt sig i vilka situationer det ena passar bättre än det andra. 

Edit: Och en fråga till! Angående förbränning av tex kolväten, enligt definitionen går ju reaktionerna åt båda håll? Trots att jämvikten är så hög att det inte går att räkna reaktanterna, betyder det inte att det också bildas kolväte vid jämvikten då? Hur går det till? Hur kan en sån reaktion gå åt vänster?

”Hur det går till” är en fråga om kinetik, inte termodynamik/jämviktslära. Om man enbart tittar på en jämvikt så säger den som sagt ingenting om hur eller hur snabbt man når dit. Naturen strävar efter att minimera Gibbs fria energi. Jämvikten säger bara vilken blandning av reaktanter och produkter som ger den maximala sänkningen av Gibbs fria energi. 

Det finns väl en viss sannolikhet att koldioxidmolekyler kolliderar med vattenmolekyler på ett sådant sätt att de helt slumpartat bildar ett kolväte och vatten. Men det är nog ett så osannolikt event att det är svårt att studera det med experiment och därför kan man inte svara på exakt hur en sådan reaktion skulle gå till.