Tasakaalukonstandid: K kirjutamine, Q tõlgendamine ja Kc teisendamine Kp-ks

Dünaamiline tasakaal: päri- ja pöördreaktsioon võrdse kiirusega

Pöörduvas reaktsioonis võivad saadused reageerida, moodustades uuesti lähteaineid. Kui pärireaktsioon lähteaineid ära kasutab, see aeglustub, ja kui saadusi koguneb, kiireneb pöördreaktsioon. Tasakaal saabub, kui kaks kiirust on võrdsed. Sellest hetkest jäävad kontsentratsioonid konstantseks, kuigi mõlemad reaktsioonid jätkuvad. Seepärast nimetavad keemikud seda dünaamiliseks tasakaaluks ja kirjutavad selle kahesuunalise noolega ⇌.

Sama tasakaalukoostiseni võib jõuda kummaltki poolt. Suletud kolb, milles on alguses puhas NO₂, ja sama ruumalaga kolb, milles on alguses samaväärne kogus puhast N₂O₄, jõuavad samal temperatuuril hoides sama seguni. Tasakaal saabub ainult suletud süsteemis; kui saadus lendub, nagu CO₂ avatud anumast, ei jõua reaktsioon kunagi tasakaalu.

K avaldise koostamine tasakaalustatud võrrandi põhjal

Üldise reaktsiooni aA + bB ⇌ cC + dD korral annab massitoimeseadus tasakaalukonstandi molaarsete kontsentratsioonide kaudu: Kc = [C]ᶜ[D]ᵈ / ([A]ᵃ[B]ᵇ). Saadused lähevad murrujoone kohale, lähteained alla ja iga kontsentratsioon tõstetakse oma kordaja astmesse. Erinevalt kiiruse võrrandist tuleneb see avaldis otse tasakaalustatud võrrandist.

Puhtad tahked ained ja puhtad vedelikud jäetakse välja, sest nende efektiivne kontsentratsioon reaktsiooni kulgedes ei muutu. Välja jäetakse ka vesi, kui see on lahusti lahjas vesilahuses. Näiteks lagunemise CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) korral on Kc = [CO₂]. Antud temperatuuril on CO₂ tasakaaluline rõhk tahkete ainete kohal kindel, sõltumata kahe tahke aine kogustest.

Rangelt võttes koostatakse tasakaalukonstant aktiivsustest, millel ühikuid ei ole, seega esitatakse K ilma ühikuteta. Kontsentratsioonide kasutamine ühikutes mol/L või rõhkude kasutamine ühikutes atm või bar on üldkeemias tavaline lähendus.

K suuruse tõlgendamine

Suur K tähendab, et tasakaalus on ülekaalus saadused; väike K tähendab, et ülekaalus on lähteained. Ligikaudse juhisena tähendab K, mis on suurem kui umbes 10³, et reaktsioon on peaaegu lõpuni kulgenud, K, mis on väiksem kui umbes 10⁻³, et saadust tekib vähe, ja vahepealsed väärtused annavad segu, milles on mõlemat märkimisväärses koguses.

OpenStaxi alajaotis 13.4 annab reaktsiooni N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO(g) jaoks temperatuuril 2000 °C Kc = 4.1 × 10⁻⁴. Isegi sellel temperatuuril sisaldab õhk tasakaalus vaid veidi NO-d. Toatemperatuuril on konstant veel palju väiksem, mistõttu lämmastik ja hapnik atmosfääris kõrvuti eksisteerivad.

K ei ütle kiiruse kohta midagi. Väga suure K-ga reaktsioon võib siiski olla vaatlemiseks liiga aeglane. Kui kiiresti tasakaal saabub, otsustab kineetika, mitte tasakaalukonstant.

Lahendatud näide: Kc ja Kp lämmastikdioksiidi ja dilämmastiktetraoksiidi jaoks

Gaase hõlmavate reaktsioonide korral saab tasakaalukonstandi kirjutada ka osarõhkude kaudu, mis annab Kp. Need kaks on seotud võrrandiga Kp = Kc(RT)^Δn, mis tähendab Kc korrutatuna RT-ga astmes Δn, kus Δn on gaasiliste saaduste moolide arv miinus gaasiliste lähteainete moolide arv, R = 0.08206 L atm mol⁻¹ K⁻¹, kui rõhud on atmosfäärides, ja T on kelvinites. Kui Δn = 0, on Kp võrdne Kc-ga.

OpenStaxi alajaotis 13.2 kirjeldab 0.10 mol NO₂, mis pannakse temperatuuril 25 °C 1.0 L kolbi ja mis jõuab tasakaaluni, kus [NO₂] = 0.016 mol/L ja [N₂O₄] = 0.042 mol/L. Kontrolliks: 0.016 + 2(0.042) = 0.100 mol/L, seega on kogu lämmastik arvesse võetud. Reaktsiooni N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) korral on Kc = [NO₂]²/[N₂O₄] = (0.016)² / 0.042 = 6.1 × 10⁻³, kahe tüvenumbri täpsusega.

Siin Δn = 2 − 1 = 1 ja RT = 0.08206 × 298.15 = 24.47. Seega Kp = (6.1 × 10⁻³)(24.47) = 0.15, kui rõhud on atmosfäärides. Väärtus on suurem kui Kc, sest Δn on positiivne ja RT on suurem kui 1.

Võrrandi muutmine muudab K väärtust

Kuna K koostatakse tasakaalustatud võrrandi põhjal, muudab iga muutus võrrandis K väärtust ennustataval viisil. Need reeglid on tasakaalu vaste Hessi seaduses ΔH käsitlemise reeglitele, kus liitmise asemel on korrutamine.

Lahendatud näide. Alusta reaktsioonist N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO(g), Kc = 4.1 × 10⁻⁴ temperatuuril 2000 °C. Selle ümberpööramine annab 2 NO(g) ⇌ N₂(g) + O₂(g), mille Kc = 1/(4.1 × 10⁻⁴) = 2.4 × 10³. Pärisuunalise võrrandi poolitamine annab ½ N₂(g) + ½ O₂(g) ⇌ NO(g), mille Kc = √(4.1 × 10⁻⁴) = 2.0 × 10⁻². Mõlemat tehes on reaktsiooni NO(g) ⇌ ½ N₂(g) + ½ O₂(g) Kc = 1/√(4.1 × 10⁻⁴) = 49.

• Pööra võrrand ümber: uus K on 1/K.
• Korruta iga kordaja n-ga: uus K on Kⁿ. Võrrandi poolitamine tähendab ruutjuure võtmist.
• Liida kaks võrrandit: korruta nende K väärtused. Mõlemad K väärtused peavad kehtima sama temperatuuri kohta.

Q ja K võrdlemine suuna ennustamiseks

Reaktsioonijagatis Q on täpselt sama kujuga kui K, kuid kasutab mis tahes hetkel esinevaid kontsentratsioone, mitte ainult tasakaalulisi. Q võrdlemine K-ga ütleb sulle, kummas suunas reaktsioon peab kulgema. Kui Q < K, on saadust liiga vähe ja reaktsioon kulgeb pärisuunas. Kui Q > K, on saadust liiga palju ja reaktsioon kulgeb vastassuunas. Kui Q = K, on süsteem tasakaalus.

Lahendatud näide. OpenStaxi alajaotis 13.2 annab reaktsiooni CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂(g) + H₂(g) jaoks temperatuuril 800 °C Kc = 0.640. Segu sisaldab [CO] = 0.0500, [H₂O] = 0.0400, [CO₂] = 0.0300 ja [H₂] = 0.0600 mol/L. Q = (0.0300)(0.0600) / [(0.0500)(0.0400)] = 0.00180/0.00200 = 0.900. Q on suurem kui K, seega nihkub segu CO ja H₂O suunas.

Teises segus on sama CO ja H₂O, kuid [CO₂] = 0.0200 ja [H₂] = 0.0250 mol/L. Nüüd Q = (0.0200)(0.0250)/(0.00200) = 0.250, mis on väiksem kui 0.640, seega reageerib see segu pärisuunas ja tekitab rohkem CO₂ ja H₂.

Lahendatud näide: K mõõdetud tasakaalusegust

Ühe tasakaalukoguse mõõtmisest piisab sageli K leidmiseks, sest tasakaalustatud võrrand määrab, kuidas muutusid kõik teised kogused. Siinsed andmed on illustratiivsed. Ühel kindlal temperatuuril suletakse 0.500 mol PCl₅ tühja 2.00 L kolbi ja lastakse jõuda tasakaaluni PCl₅(g) ⇌ PCl₃(g) + Cl₂(g). Tasakaalus sisaldab kolb 0.180 mol Cl₂.

Arvuta kontsentratsioonidega. Algne [PCl₅] on 0.500 mol / 2.00 L = 0.250 mol/L ja tasakaaluline [Cl₂] on 0.180 mol / 2.00 L = 0.0900 mol/L. Iga tekkiv mool Cl₂ tekitab ka ühe mooli PCl₃ ja kulutab ühe mooli PCl₅, seega [PCl₃] = 0.0900 mol/L ja [PCl₅] = 0.250 − 0.0900 = 0.160 mol/L. Siis Kc = (0.0900)(0.0900)/0.160 = 0.0506. Sellel temperatuuril lagunes 36.0 protsenti PCl₅-st. ICE-tabelite juhend laiendab seda arvestust ülesannetele, kus pead tasakaalukogused ise leidma.

Vead tasakaaluavaldistes

Lühike kontrollnimekiri tabab enamiku vigu K kirjutamisel ja kasutamisel.

• Lähteainete panemine murrujoone kohale. K on kirjutatud võrrandi jaoks alati saadused jagatud lähteainetega.
• Kordajate väljajätmine astendajatest või nende kasutamine hoopis kordajatena korrutises.
• Puhta tahke aine, puhta vedeliku või lahustina toimiva vee lisamine avaldisse.
• Algkontsentratsioonide kasutamine K-s. K-sse kuuluvad ainult tasakaalulised väärtused; mis tahes muu komplekt annab Q.
• Unustamine, et K sõltub temperatuurist. K väärtus on mõttetu ilma temperatuurita, mille kohta see kehtib.
• Kc teisendamine Kp-ks nii, et Δn arvestatakse kõigi osakeste, mitte ainult gaaside järgi, või T on Celsiuse kraadides.