ICE-tabelid: tasakaalu lahendamine samm-sammult

Mida ICE-tabeli kolm rida kirjendavad

ICE tähistab ingliskeelseid sõnu Initial, Change ja Equilibrium ehk algne, muutus ja tasakaal. Kirjuta tasakaalustatud võrrand üles ja anna igale osakesele oma veerg. Algse rea (I) lahtrites on kontsentratsioonid (või osarõhud) enne reaktsiooni nihkumist. Muutuse rida (C) näitab, kui palju igaüks neist suureneb või väheneb. Tasakaalu rida (E) on kahe esimese summa.

Muutuse reas peitub keemia. Iga kirje on ühe tundmatu x kordne ja kordajad on tasakaalustatud võrrandi kordajad. Kui reaktsioon 2 SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 SO₃(g) kulgeb pärisuunas, on muutused −2x, −x ja +2x. Pärisuunas kulgedes lähteained kaotavad ja saadused võidavad; vastassuunas kulgedes on märgid vastupidised.

Kasuta Kc jaoks molaarseid kontsentratsioone ja Kp jaoks osarõhke. Puhtad tahked ained ja puhtad vedelikud ei esine tasakaaluavaldises, seega jäta need ka tabelist välja. Enne algse rea täitmist teisenda kõik moolid kontsentratsioonideks, jagades need anuma ruumalaga.

Muutuse suuna valimine Q abil

Enne märkide määramist otsusta, kummas suunas reaktsioon peab kulgema. Arvuta algväärtustest reaktsioonijagatis Q, kasutades sama kuju kui K avaldises. Kui Q on väiksem kui K, on saadusi liiga vähe ja reaktsioon kulgeb pärisuunas. Kui Q on suurem kui K, kulgeb see vastassuunas. Kui Q on võrdne K-ga, on segu juba tasakaalus ja midagi ei muutu.

Kui saaduse algkontsentratsioon on null, on Q null ja reaktsioon peab kulgema pärisuunas, seega võid arvutuse vahele jätta. Kui kõik osakesed on olemas, arvuta Q. Võta näiteks vääveltrioksiidi reaktsioon, mille Kc = 37.0 (leitakse järgmises alajaotises), ja segu, milles [SO₂] = 0.100 M, [O₂] = 0.050 M ja [SO₃] = 0.500 M. Q = (0.500)² / ((0.100)² × 0.050) = 500. Q on suurem kui K, seega SO₃ laguneb, kuni suhe langeb väärtuseni 37.0.

Lahendatud näide: K ühest mõõdetud kontsentratsioonist

Mõnikord on tundmatu K ise. Oletame, et anumas on alguses [SO₂] = 0.400 M ja [O₂] = 0.200 M ning SO₃ puudub, ja tasakaalus mõõdetakse [SO₃] väärtuseks 0.250 M. Need väärtused on koostatud selle juhendi jaoks meetodi näitamiseks; need ei ole kirjandusandmed.

SO₃ kontsentratsioon muutus 0-st 0.250 M-ni, seega 2x = 0.250 ja x = 0.125 M. Iga teine muutus tuleneb kordajatest: SO₂ väheneb 2x = 0.250 M võrra 0.150 M-ni ja O₂ väheneb x = 0.125 M võrra 0.075 M-ni. Siis Kc = [SO₃]² / ([SO₂]²[O₂]) = (0.250)² / ((0.150)² × 0.075) = 37.0. Ühest mõõdetud kontsentratsioonist koos stöhhiomeetriaga piisas kõigi kolme kindlaksmääramiseks.

Lahendatud näide: kui võrrand on täisruut

Reaktsiooni H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2 HI(g) jaoks kasuta Kc = 50.5, väärtust, mida OpenStax Chemistry 2e alajaotis 13.4 kasutab selle reaktsiooni jaoks oma näite tingimustes. Alusta väärtustest [H₂] = [I₂] = 0.500 M ilma HI-ta. Q on null, seega kulgeb reaktsioon pärisuunas. Tabel annab tasakaaluväärtused 0.500 − x kummagi lähteaine ja 2x HI jaoks.

Avaldis on 50.5 = (2x)² / (0.500 − x)². Mõlemad pooled on täisruudud, seega võta sulgude avamise asemel ruutjuur: 7.106 = 2x / (0.500 − x). Ümberkorraldamine annab x = 0.500 × 7.106 / (2 + 7.106) = 0.390 M. Tasakaalus [H₂] = [I₂] = 0.110 M ja [HI] = 0.780 M. Kontroll: (0.780)² / (0.110)² = 50.3, mis vastab väärtusele 50.5 kontsentratsioonide ümardamise piires.

Ruutjuure otsetee töötab ainult siis, kui avaldis on täisruut, mis eeldab siin kahe lähteaine võrdseid algkoguseid. Erinevate koguste korral pead lahendama ruutvõrrandi.

Lahendatud näide: täieliku ruutvõrrandi lahendamine

Reaktsiooni PCl₅(g) ⇌ PCl₃(g) + Cl₂(g) jaoks kasutab OpenStaxi alajaotis 13.4 väärtust Kc = 0.0211. Alusta väärtustest [PCl₅] = 0.400 M ja [Cl₂] = 0.100 M, kuid ilma PCl₃-ta. Q on null, seega kulgeb reaktsioon pärisuunas. Tasakaaluväärtused on 0.400 − x, x ja 0.100 + x.

Asenda: 0.0211 = x(0.100 + x) / (0.400 − x). Ava sulud ja koonda liikmed, et saada x² + 0.1211x − 0.00844 = 0. Ruutvõrrandi lahendivalem annab x = 0.0495 või x = −0.171. Negatiivne lahend muudaks [PCl₃] negatiivseks, seega jäta see kõrvale. Tasakaalus [PCl₅] = 0.351 M, [PCl₃] = 0.0495 M ja [Cl₂] = 0.150 M. Tagasi asendamine annab 0.0211, seega vastus on kontrollitud.

Pane tähele, et juba olemas olnud Cl₂ pidurdas reaktsiooni. Kui alustada ainult 0.400 M PCl₅-st, annab sama K väärtuse x = 0.0819 M, seega vähendas lisatud saadus lagunemise ulatust, nagu Le Chatelier' printsiip ennustab.

Kui x on väike: lähendus ja 5 protsendi kontroll

Kui K on väike, aga algkontsentratsioonid ei ole, liigub reaktsioon vaevu ja 0.0400 − x on peaaegu täpselt 0.0400. x-i väljajätmine neist liikmetest muudab ruutvõrrandi üheastmeliseks arvutuseks. Lähendus loetakse vastuvõetavaks, kui x on väiksem kui 5 protsenti kontsentratsioonist, millest see lahutati.

Lahendatud näide. Reaktsiooni N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO(g) jaoks annab OpenStaxi alajaotis 13.4 temperatuuril 2000 °C Kc = 4.1 × 10⁻⁴. Alusta väärtustest [N₂] = 0.0400 M ja [O₂] = 0.0100 M. Siis 4.1 × 10⁻⁴ = (2x)² / ((0.0400 − x)(0.0100 − x)). Lähenda: 4x² = 4.1 × 10⁻⁴ × 0.0400 × 0.0100, seega x = 2.0 × 10⁻⁴ M ja [NO] = 2x = 4.0 × 10⁻⁴ M. Kontrolli väiksema algväärtuse suhtes: 2.0 × 10⁻⁴ / 0.0100 = 2 protsenti, alla 5 protsendi. Täpne ruutvõrrand annab kahe tüvenumbri täpsusega sama [NO].

Lähendus ei tööta, kui K ei ole kontsentratsioonidega võrreldes väike. Ainult PCl₅ korral kontsentratsiooniga 0.400 M ja Kc = 0.0211 annab väikese x eeldus x = 0.092 M, mis on 23 protsenti 0.400-st. Täpne vastus on 0.0819 M, seega oleks otsetee tulemus umbes 12 protsenti liiga suur. Tee kontroll alati; ära kunagi eelda.

Osarõhud ja pöördreaktsioon

ICE-tabel töötab samamoodi osarõhkude ja Kp-ga. Reaktsiooni korral, mille gaasimoolide arv ei muutu, on Kp võrdne Kc-ga. See kehtib vesinikjodiidi tasakaalu kohta, kus kummalgi poolel on kaks mooli gaasi.

Lahendatud näide. Puhas HI pannakse anumasse rõhul 2.00 atm ja lastakse laguneda: 2 HI(g) ⇌ H₂(g) + I₂(g). See on ülaltoodud reaktsiooni pöördreaktsioon, seega on selle konstant 1/50.5 = 0.0198. Muutused on HI jaoks −2x ja kummagi saaduse jaoks +x. Siis 0.0198 = x² / (2.00 − 2x)². Ruutjuure võtmisel 0.1407 = x / (2.00 − 2x), mis annab x = 0.220 atm. Tasakaalus P(H₂) = P(I₂) = 0.220 atm ja P(HI) = 1.56 atm.

ICE-tabeli apsud ja kuidas neid tabada

Lõppkontroll tabab peaaegu iga vea: asenda tasakaaluväärtused tagasi K avaldisse ja veendu, et saad K andmete täpsusega tagasi.

• Moolide panemine tabelisse, kui anum ei ole 1 L. Jaga esmalt ruumalaga.
• Kordaja 1 kasutamine muutuse reas iga osakese jaoks, näiteks −x asemel −2x SO₂ jaoks.
• Unustamine tõsta K avaldises liige ruutu või kuupi vastavalt selle kordajale.
• Eeldus, et reaktsioon kulgeb pärisuunas, kuigi saadused on alguses olemas. Arvuta Q.
• Sellise lahendi alles jätmine, mis muudab mõne kontsentratsiooni negatiivseks või füüsikaliselt võimatult suureks.
• x-i väljajätmine kontrollimata, et see on alla 5 protsendi algväärtusest.
• Puhta tahke aine või vedeliku lisamine tabelisse või avaldisse.
• Pärireaktsiooni K kasutamine, kui ülesanne on kirjutatud vastupidises suunas. Reaktsiooni ümberpööramine pöörab K ümber.