Oreka-konstanteak: K idaztea, Q irakurtzea eta Kc Kp bihurtzea

Oreka dinamikoa: zuzeneko eta alderantzizko erreakzioak abiadura berean

Erreakzio itzulgarri batean, produktuek erreakziona dezakete erreaktiboak berriro eratzeko. Erreakzio zuzenak erreaktiboak kontsumitzen dituen heinean moteldu egiten da, eta produktuak metatzen diren heinean alderantzizko erreakzioa bizkortu egiten da. Oreka bi abiadurak berdinak direnean lortzen da. Une horretatik aurrera, kontzentrazioak konstante mantentzen dira, nahiz eta bi erreakzioek jarraitu. Horregatik deitzen diote kimikariek oreka dinamikoa eta gezi bikoitz batekin idazten dute, ⇌.

Orekako konposizio bera bi aldeetatik lor daiteke. NO₂ hutsarekin hasten den matraze itxi bat eta bolumen berekoa den eta N₂O₄ hutsaren kantitate baliokidearekin hasten den beste bat nahaste berean amaitzen dira tenperatura berean mantentzen direnean. Oreka sistema itxi batean bakarrik lortzen da; produktu batek ihes egiten badu, CO₂-k ontzi ireki batetik egiten duen bezala, erreakzioa ez da inoiz egonkortzen.

K adierazpena ekuazio doitu batetik eraikitzea

aA + bB ⇌ cC + dD erreakzio orokor baterako, masen akzioaren legeak oreka-konstantea kontzentrazio molarren funtzioan ematen du: Kc = [C]ᶜ[D]ᵈ / ([A]ᵃ[B]ᵇ). Produktuak goian doaz, erreaktiboak behean, eta kontzentrazio bakoitza bere koefizientearen berretzailera jasotzen da. Abiadura-lege batean ez bezala, adierazpen hau zuzenean ekuazio doitutik dator.

Solido hutsak eta likido hutsak kanpoan uzten dira, haien kontzentrazio eraginkorra ez delako aldatzen erreakzioak aurrera egin ahala. Ura ere kanpoan uzten da disoluzio urtsu diluitu bateko disolbatzailea denean. Adibidez, CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) deskonposizioak Kc = [CO₂] du. Tenperatura jakin batean, solidoen gaineko CO₂-aren oreka-presioa finkoa da, bi solidoen kantitateak edozein direla ere.

Zorrotz hitz eginda, oreka-konstante bat aktibitateekin eraikitzen da, unitaterik ez dutenak, beraz K unitaterik gabe ematen da. Kontzentrazioak mol/L-tan edo presioak atm edo bar-etan erabiltzea da kimika orokorreko hurbilketa ohikoa.

K-ren magnitudea irakurtzea

K handi batek esan nahi du orekan produktuak nagusi direla; K txiki batek, erreaktiboak nagusi direla. Gida orientagarri gisa, 10³ inguru baino handiagoa den K-k esan nahi du erreakzioa ia osoa dela, 10⁻³ inguru baino txikiagoa den K-k produktu gutxi eratzen dela, eta tarteko balioek bien kantitate esanguratsuak dituen nahaste bat ematen dute.

OpenStaxen 13.4 atalak Kc = 4.1 × 10⁻⁴ ematen du N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO(g) erreakziorako 2000 °C-tan. Tenperatura horretan ere, aireak NO gutxi baino ez du orekan. Giro-tenperaturan konstantea are askoz txikiagoa da, eta horregatik bizi dira elkarrekin nitrogenoa eta oxigenoa atmosferan.

K-k ez du ezer esaten abiadurari buruz. K izugarri handia duen erreakzio bat motelegia izan daiteke behatzeko. Zinetikak, ez oreka-konstanteak, erabakitzen du zein azkar lortzen den oreka.

Adibide landua: Kc eta Kp nitrogeno dioxidorako eta dinitrogeno tetroxidorako

Gasak dituzten erreakzioetarako, oreka-konstantea presio partzialekin ere idatz daiteke, eta Kp lortzen da. Biak Kp = Kc(RT)^Δn bidez erlazionatuta daude, hau da, Kc bider RT berretu Δn, non Δn produktu gaseosoen molak ken erreaktibo gaseosoen molak den, R = 0.08206 L atm mol⁻¹ K⁻¹ presioak atm-tan daudenean, eta T kelvinetan. Δn = 0 denean, Kp Kc-ren berdina da.

OpenStaxen 13.2 atalak 1.0 L-ko matraze batean 25 °C-tan jarritako 0.10 mol NO₂ deskribatzen ditu, [NO₂] = 0.016 mol/L eta [N₂O₄] = 0.042 mol/L-rekin orekara iristen direnak. Egiaztapen gisa, 0.016 + 2(0.042) = 0.100 mol/L, beraz nitrogeno guztia kontuan hartuta dago. N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) erreakziorako, Kc = [NO₂]²/[N₂O₄] = (0.016)² / 0.042 = 6.1 × 10⁻³, bi zifra esanguratsurekin.

Hemen Δn = 2 − 1 = 1, eta RT = 0.08206 × 298.15 = 24.47. Beraz Kp = (6.1 × 10⁻³)(24.47) = 0.15, presioak atm-tan. Balioa Kc baino handiagoa da Δn positiboa delako eta RT 1 baino handiagoa.

Ekuazioa aldatzeak K aldatzen du

K ekuazio doitutik eraikitzen denez, ekuazioaren edozein aldaketak K modu aurreikusgarrian aldatzen du. Arau hauek Hessen legean ΔH manipulatzeko arauen oreka-kidea dira, batuketaren ordez biderketarekin.

Adibide landua. Hasi N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO(g) erreakziotik, Kc = 4.1 × 10⁻⁴ 2000 °C-tan. Alderantzikatuz 2 NO(g) ⇌ N₂(g) + O₂(g) lortzen da, Kc = 1/(4.1 × 10⁻⁴) = 2.4 × 10³-rekin. Ekuazio zuzena erdira murriztuz ½ N₂(g) + ½ O₂(g) ⇌ NO(g) lortzen da, Kc = √(4.1 × 10⁻⁴) = 2.0 × 10⁻²-rekin. Biak eginez, NO(g) ⇌ ½ N₂(g) + ½ O₂(g) erreakzioak Kc = 1/√(4.1 × 10⁻⁴) = 49 du.

• Alderantzikatu ekuazioa: K berria 1/K da.
• Biderkatu koefiziente guztiak n-z: K berria Kⁿ da. Ekuazioa erdira murrizteak erro karratua ateratzea dakar.
• Batu bi ekuazio: biderkatu haien K balioak. Bi K balioek tenperatura berekoak izan behar dute.

Q eta K alderatzea norabidea iragartzeko

Erreakzio-zatidurak, Q, K-ren forma bera du zehazki, baina edozein unetan dauden kontzentrazioak erabiltzen ditu, ez orekakoak bakarrik. Q eta K alderatzeak esaten dizu zein norabidetan joan behar duen erreakzioak. Q < K bada, produktu gutxiegi dago, eta erreakzioak aurrerantz egiten du. Q > K bada, produktu gehiegi dago, eta erreakzioak alderantzizko noranzkoan egiten du. Q = K bada, sistema orekan dago.

Adibide landua. OpenStaxen 13.2 atalak Kc = 0.640 ematen du 800 °C-tan CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂(g) + H₂(g) erreakziorako. Nahaste batek [CO] = 0.0500, [H₂O] = 0.0400, [CO₂] = 0.0300 eta [H₂] = 0.0600 mol/L ditu. Q = (0.0300)(0.0600) / [(0.0500)(0.0400)] = 0.00180/0.00200 = 0.900. Q K baino handiagoa da, beraz nahastea CO eta H₂O alderantz desplazatzen da.

Bigarren nahaste batek CO eta H₂O berdinak ditu, baina [CO₂] = 0.0200 eta [H₂] = 0.0250 mol/L. Orain Q = (0.0200)(0.0250)/(0.00200) = 0.250, 0.640 baino txikiagoa, beraz nahaste honek aurrerantz erreakzionatzen du eta CO₂ eta H₂ gehiago egiten ditu.

Adibide landua: K neurtutako oreka-nahaste batetik

Orekako kantitate bat neurtzea nahikoa izan ohi da K aurkitzeko, ekuazio doituak finkatzen duelako nola aldatu den beste kantitate bakoitza. Hemengo datuak adibide gisa eraikiak dira. Tenperatura finko batean, 0.500 mol PCl₅ ixten dira 2.00 L-ko matraze huts batean eta PCl₅(g) ⇌ PCl₃(g) + Cl₂(g) orekara iristen uzten zaie. Orekan matrazeak 0.180 mol Cl₂ ditu.

Lan egin kontzentrazioekin. Hasierako [PCl₅] 0.500 mol / 2.00 L = 0.250 mol/L da, eta orekako [Cl₂] 0.180 mol / 2.00 L = 0.0900 mol/L. Eratutako Cl₂ mol bakoitzak PCl₃ mol bat ere eratzen du eta PCl₅ mol bat kontsumitzen du, beraz [PCl₃] = 0.0900 mol/L eta [PCl₅] = 0.250 − 0.0900 = 0.160 mol/L. Orduan Kc = (0.0900)(0.0900)/0.160 = 0.0506. Tenperatura honetan, PCl₅-aren ehuneko 36.0 deskonposatu zen. ICE taulei buruzko gidak kontabilitate hau orekako kantitateak ebatzi behar dituzun problemetara hedatzen du.

Oreka-adierazpenetako akatsak

Egiaztapen-zerrenda labur batek K idaztean eta erabiltzean egiten diren akats gehienak harrapatzen ditu.

• Erreaktiboak goian jartzea. K beti da produktuak zati erreaktiboak, idatzitako ekuaziorako.
• Koefizienteak berretzaile gisa ez jartzea, edo biderkatzaile gisa erabiltzea.
• Solido huts bat, likido huts bat edo disolbatzaile den ura adierazpenean sartzea.
• Hasierako kontzentrazioak K-n erabiltzea. Orekako balioak bakarrik dagozkio K-ri; beste edozein multzok Q ematen du.
• K tenperaturaren mende dagoela ahaztea. K balio batek ez du zentzurik aplikatzen zaion tenperaturarik gabe.
• Kc Kp bihurtzea Δn espezie guztiekin zenbatuta gasekin bakarrik zenbatu beharrean, edo T Celsiusetan.