Kemiallinen tasapaino

Kemiallinen tasapaino on tilanne, jossa jatkuvasti reagoivan seoksen pitoisuudet eivät muutu ajan kuluessa. Käytännössä tämä johtuu siitä, että vaikka vastakkaisiin suuntiin etenevät reaktiot olisivat nopeita, ne ovat yhtä nopeita, jolloin nettoreaktiota ei tapahdu. Kemiallisessa tasapainossa reaktion Gibbsin energian muutos on 0.^[1]

Tasapainoreaktioissa reaktionuolena käytetään kaksisuuntaista puolinuolta.

N₂(g) + 3 H₂(g) ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ 2 NH₃(g)

Kemiallisen tasapainon reaktionopeudet esimerkkireaktiolle ovat seuraavanlaiset, kun [A] ja [B] ovat reagenssien pitoisuudet:

A → B: r₁ = k₁[A]

B → A: r_-1 = k_-1[B]

Nettoreaktionopeus on siis:

r = r₁ - r_-1 = k₁[A] - k_-1[B]

Tasapainossa nettoreaktio on nolla:

0 = k₁[A] - k_-1[B]

K = k₁/k_-1 = [B]/[A]

Vakio k1/k-1 määritellään tasapainovakioksi. Massavaikutuksen lain mukaan se on kullekin kemialliselle reaktiolle ominainen vakio. Yleiselle tapaukselle voidaan johtaa:

K = Π([B]_n^b_n)/Π([A]_n^a_n), kun reaktio on a₁A₁ + a₂A₂ + .. ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ b₁B₁ + b₂B₂ + ..

missä osoittaja on tuotteiden ja nimittäjä lähtöaineiden mukaan määriteltyjen termien tulo; termit ovat komponenttien konsentraatiot potenssiin komponenttien stoikiometriakertoimet. Potenssiin korotus seuraa siitä, että komponentin A:n todennäköisyys osua tilavuuselementtiin kerran on suhteessa [A]:han. Jos tilavuuselementtiin pitää osua kaksi A-molekyyliä kerrallaan reaktiota varten, tämän todennäköisyys on ensimmäisen ja toisen elementtiin osumisen tulo, eli [A] kertaa [A], eli [A]².

K:n mittaamalla voi johtaa tasapainokonsentraatio toiselle reagenssille, kun toinen pitoisuus tiedetään.

Esimerkiksi ammoniakille stoikiometriakertoimet ovat 1 typelle, 3 vedylle ja 2 ammoniakille:

N₂ + 3H₂ ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ 2NH₃

josta

K = [NH₃]² / ([N₂][H₂]³)

missä K on vakio, kun olosuhteet (lämpötila, paine) pidetään samana. Tasapainon paikkaa voi muuttaa muuttamalla lämpötilaa ja painetta.

Kemiallinen tasapaino on äärimmäisen tärkeä elävän luonnon kemiassa, koska sen takia puskuriliuosten happamuus pysyy vakiona, esimerkkinä veri.