Ewewigskonstantes: K skryf, Q lees en Kc na Kp omskakel

Dinamiese ewewig: voorwaarts en terugwaarts teen gelyke tempo's

In 'n omkeerbare reaksie kan produkte reageer om reaktante te hervorm. Soos die voorwaartse reaksie reaktante opgebruik, vertraag dit, en soos produkte ophoop, versnel die terugwaartse reaksie. Ewewig word bereik wanneer die twee tempo's gelyk is. Van dan af bly die konsentrasies konstant, al gaan albei reaksies voort. Daarom noem chemici dit 'n dinamiese ewewig en skryf dit met 'n dubbele pyl, ⇌.

Dieselfde ewewigsamestelling kan van enige kant af bereik word. 'n Verseëlde fles wat met suiwer NO₂ begin en een van dieselfde volume wat met die ekwivalente hoeveelheid suiwer N₂O₄ begin, eindig by dieselfde mengsel wanneer hulle by dieselfde temperatuur gehou word. Ewewig word slegs in 'n geslote sisteem bereik; as 'n produk ontsnap, soos CO₂ uit 'n oop houer, kom die reaksie nooit tot rus nie.

Die K-uitdrukking uit 'n gebalanseerde vergelyking opbou

Vir 'n algemene reaksie aA + bB ⇌ cC + dD gee die massawerkingswet die ewewigskonstante in terme van molêre konsentrasies: Kc = [C]ᶜ[D]ᵈ / ([A]ᵃ[B]ᵇ). Produkte gaan bo, reaktante onder, en elke konsentrasie word tot die mag van sy koëffisiënt verhef. Anders as 'n tempowet kom hierdie uitdrukking direk uit die gebalanseerde vergelyking.

Suiwer vaste stowwe en suiwer vloeistowwe word uitgelaat, omdat hul effektiewe konsentrasie nie verander soos die reaksie vorder nie. Water word ook uitgelaat wanneer dit die oplosmiddel in 'n verdunde waterige oplossing is. Die ontbinding CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) het byvoorbeeld Kc = [CO₂]. By 'n gegewe temperatuur is die ewewigsdruk van CO₂ bo die vaste stowwe vas, ongeag die hoeveelhede van die twee vaste stowwe.

Streng gesproke word 'n ewewigskonstante uit aktiwiteite opgebou, wat geen eenhede het nie, dus word K sonder eenhede gerapporteer. Om konsentrasies in mol/L of drukke in atm of bar te gebruik, is die gewone benadering in algemene chemie.

Die grootte van K lees

'n Groot K beteken dat die produkte by ewewig oorheers; 'n klein K beteken dat die reaktante oorheers. As 'n rowwe riglyn beteken K groter as ongeveer 10³ dat die reaksie byna volledig is, K kleiner as ongeveer 10⁻³ dat min produk vorm, en waardes tussenin gee 'n mengsel met beduidende hoeveelhede van albei.

OpenStax afdeling 13.4 gee Kc = 4.1 × 10⁻⁴ vir N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO(g) by 2000 °C. Selfs by daardie temperatuur bevat lug by ewewig slegs 'n bietjie NO. By kamertemperatuur is die konstante nog baie kleiner, en daarom bestaan stikstof en suurstof saam in die atmosfeer.

K sê niks oor spoed nie. 'n Reaksie met 'n enorme K kan steeds te stadig wees om waar te neem. Kinetika, nie die ewewigskonstante nie, bepaal hoe vinnig ewewig bereik word.

Uitgewerkte voorbeeld: Kc en Kp vir stikstofdioksied en distikstoftetroksied

Vir reaksies waarby gasse betrokke is, kan die ewewigskonstante ook met parsiële drukke geskryf word, wat Kp gee. Die twee is verwant deur Kp = Kc(RT)^Δn, wat Kc vermenigvuldig met RT tot die mag Δn beteken, waar Δn die mol gasvormige produkte minus die mol gasvormige reaktante is, R = 0.08206 L atm mol⁻¹ K⁻¹ wanneer drukke in atm is, en T in kelvin is. Wanneer Δn = 0, is Kp gelyk aan Kc.

OpenStax afdeling 13.2 beskryf 0.10 mol NO₂ wat in 'n 1.0 L-fles by 25 °C geplaas word, wat ewewig bereik met [NO₂] = 0.016 mol/L en [N₂O₄] = 0.042 mol/L. As kontrole is 0.016 + 2(0.042) = 0.100 mol/L, dus is al die stikstof verantwoord. Vir N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) is Kc = [NO₂]²/[N₂O₄] = (0.016)² / 0.042 = 6.1 × 10⁻³, tot twee beduidende syfers.

Hier is Δn = 2 − 1 = 1, en RT = 0.08206 × 298.15 = 24.47. Dus Kp = (6.1 × 10⁻³)(24.47) = 0.15, met drukke in atm. Die waarde is groter as Kc omdat Δn positief is en RT groter as 1 is.

Om die vergelyking te verander, verander K

Omdat K uit die gebalanseerde vergelyking opgebou word, verander enige verandering aan die vergelyking K op 'n voorspelbare manier. Hierdie reëls is die ewewigseweknie van die reëls vir die hantering van ΔH in Hess se wet, met vermenigvuldiging in plaas van optelling.

Uitgewerkte voorbeeld. Begin by N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO(g), Kc = 4.1 × 10⁻⁴ by 2000 °C. Omkering gee 2 NO(g) ⇌ N₂(g) + O₂(g) met Kc = 1/(4.1 × 10⁻⁴) = 2.4 × 10³. Halvering van die voorwaartse vergelyking gee ½ N₂(g) + ½ O₂(g) ⇌ NO(g) met Kc = √(4.1 × 10⁻⁴) = 2.0 × 10⁻². Doen albei, en NO(g) ⇌ ½ N₂(g) + ½ O₂(g) het Kc = 1/√(4.1 × 10⁻⁴) = 49.

• Keer die vergelyking om: die nuwe K is 1/K.
• Vermenigvuldig elke koëffisiënt met n: die nuwe K is Kⁿ. Halvering van die vergelyking neem die vierkantswortel.
• Tel twee vergelykings bymekaar: vermenigvuldig hul K-waardes. Albei K-waardes moet vir dieselfde temperatuur wees.

Q met K vergelyk om die rigting te voorspel

Die reaksiekwosiënt, Q, het presies dieselfde vorm as K, maar gebruik die konsentrasies wat op enige oomblik teenwoordig is, nie net by ewewig nie. Om Q met K te vergelyk, sê vir jou in watter rigting die reaksie moet gaan. As Q < K, is daar te min produk, en die reaksie verloop voorwaarts. As Q > K, is daar te veel produk, en die reaksie verloop terugwaarts. As Q = K, is die sisteem in ewewig.

Uitgewerkte voorbeeld. OpenStax afdeling 13.2 gee Kc = 0.640 by 800 °C vir CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂(g) + H₂(g). 'n Mengsel bevat [CO] = 0.0500, [H₂O] = 0.0400, [CO₂] = 0.0300 en [H₂] = 0.0600 mol/L. Q = (0.0300)(0.0600) / [(0.0500)(0.0400)] = 0.00180/0.00200 = 0.900. Q is groter as K, dus skuif die mengsel na CO en H₂O.

'n Tweede mengsel het dieselfde CO en H₂O, maar [CO₂] = 0.0200 en [H₂] = 0.0250 mol/L. Nou is Q = (0.0200)(0.0250)/(0.00200) = 0.250, wat kleiner as 0.640 is, dus reageer hierdie mengsel voorwaarts en maak meer CO₂ en H₂.

Uitgewerkte voorbeeld: K uit 'n gemete ewewigsmengsel

Om een ewewigshoeveelheid te meet, is dikwels genoeg om K te vind, omdat die gebalanseerde vergelyking vasstel hoe elke ander hoeveelheid verander het. Die data hier is illustratief. By een vaste temperatuur word 0.500 mol PCl₅ in 'n leë 2.00 L-fles verseël en toegelaat om PCl₅(g) ⇌ PCl₃(g) + Cl₂(g) te bereik. By ewewig bevat die fles 0.180 mol Cl₂.

Werk in konsentrasies. Die begin-[PCl₅] is 0.500 mol / 2.00 L = 0.250 mol/L, en die ewewigs-[Cl₂] is 0.180 mol / 2.00 L = 0.0900 mol/L. Elke mol Cl₂ wat vorm, vorm ook een mol PCl₃ en gebruik een mol PCl₅, dus [PCl₃] = 0.0900 mol/L en [PCl₅] = 0.250 − 0.0900 = 0.160 mol/L. Dan is Kc = (0.0900)(0.0900)/0.160 = 0.0506. By hierdie temperatuur het 36.0 persent van die PCl₅ ontbind. Die gids oor ICE-tabelle brei hierdie boekhouding uit na probleme waar jy vir die ewewigshoeveelhede moet oplos.

Foute met ewewigsuitdrukkings

'n Kort kontrolelys vang die meeste foute in die skryf en gebruik van K.

• Reaktante bo plaas. K is altyd produkte oor reaktante vir die vergelyking soos geskryf.
• Die koëffisiënte as eksponente uitlaat, of hulle eerder as vermenigvuldigers gebruik.
• 'n Suiwer vaste stof, 'n suiwer vloeistof of oplosmiddelwater in die uitdrukking insluit.
• Aanvangskonsentrasies in K gebruik. Slegs ewewigswaardes hoort in K; enige ander stel gee Q.
• Vergeet dat K van temperatuur afhang. 'n K-waarde is betekenisloos sonder die temperatuur waarop dit van toepassing is.
• Kc na Kp omskakel met Δn getel oor alle spesies in plaas van slegs gasse, of met T in Celsius.