Հավասարակշռության հաստատուններ՝ K-ի գրառում, Q-ի ընթերցում և Kc-ի փոխարկում Kp-ի

Դինամիկ հավասարակշռություն՝ ուղիղ և հակադարձ ռեակցիաները հավասար արագություններով

Դարձելի ռեակցիայում արգասիքները կարող են փոխազդել և նորից առաջացնել ռեագենտներ։ Երբ ուղիղ ռեակցիան ծախսում է ռեագենտները, այն դանդաղում է, իսկ երբ արգասիքները կուտակվում են, հակադարձ ռեակցիան արագանում է։ Հավասարակշռությունը հաստատվում է, երբ երկու արագությունները հավասարվում են։ Այդ պահից կոնցենտրացիաները մնում են հաստատուն, թեև երկու ռեակցիաներն էլ շարունակվում են։ Ահա թե ինչու քիմիկոսներն այն անվանում են դինամիկ հավասարակշռություն և գրում են կրկնակի սլաքով՝ ⇌։

Հավասարակշռային նույն կազմին կարելի է հասնել ցանկացած կողմից։ Փակ կոլբան, որը սկսում է մաքուր NO₂-ով, և նույն ծավալով կոլբան, որը սկսում է համարժեք քանակով մաքուր N₂O₄-ով, նույն ջերմաստիճանում պահելիս հանգում են նույն խառնուրդին։ Հավասարակշռություն հաստատվում է միայն փակ համակարգում. եթե արգասիքը դուրս է գալիս, ինչպես CO₂-ը բաց անոթից, ռեակցիան երբեք չի կայունանում։

K-ի արտահայտության կառուցումը հավասարեցված հավասարումից

aA + bB ⇌ cC + dD ընդհանուր ռեակցիայի համար զանգվածների ներգործման օրենքը հավասարակշռության հաստատունը տալիս է մոլային կոնցենտրացիաներով՝ Kc = [C]ᶜ[D]ᵈ / ([A]ᵃ[B]ᵇ)։ Արգասիքները համարիչում են, ռեագենտները՝ հայտարարում, և յուրաքանչյուր կոնցենտրացիա բարձրացվում է իր գործակցին հավասար աստիճան։ Ի տարբերություն արագության օրենքի՝ այս արտահայտությունն ուղղակիորեն բխում է հավասարեցված հավասարումից։

Մաքուր պինդ նյութերը և մաքուր հեղուկները բաց են թողնվում, քանի որ նրանց արդյունավետ կոնցենտրացիան ռեակցիայի ընթացքում չի փոխվում։ Ջուրը նույնպես բաց է թողնվում, երբ այն նոսր ջրային լուծույթում լուծիչն է։ Օրինակ, CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) քայքայման համար Kc = [CO₂]։ Տվյալ ջերմաստիճանում պինդ նյութերի վերևում CO₂-ի հավասարակշռային ճնշումը որոշված է՝ անկախ երկու պինդ նյութերի քանակներից։

Խիստ ասած՝ հավասարակշռության հաստատունը կառուցվում է ակտիվություններից, որոնք միավորներ չունեն, ուստի K-ն նշվում է առանց միավորների։ mol/L-ով կոնցենտրացիաների կամ atm-ով կամ bar-ով ճնշումների օգտագործումը ընդհանուր քիմիայում սովորական մոտարկում է։

K-ի մեծության մեկնաբանումը

Մեծ K-ն նշանակում է, որ հավասարակշռության վիճակում գերակշռում են արգասիքները, իսկ փոքր K-ն՝ ռեագենտները։ Որպես մոտավոր ուղենիշ՝ մոտ 10³-ից մեծ K-ն նշանակում է, որ ռեակցիան գրեթե ավարտուն է, մոտ 10⁻³-ից փոքր K-ն նշանակում է, որ քիչ արգասիք է առաջանում, իսկ միջանկյալ արժեքները տալիս են խառնուրդ՝ երկուսի էլ զգալի քանակներով։

OpenStax-ի 13.4 բաժինը N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO(g) ռեակցիայի համար 2000 °C-ում տալիս է Kc = 4.1 × 10⁻⁴։ Նույնիսկ այդ ջերմաստիճանում օդը հավասարակշռության վիճակում պարունակում է միայն քիչ NO։ Սենյակային ջերմաստիճանում հաստատունն ավելի ևս շատ փոքր է, ահա թե ինչու ազոտն ու թթվածինը համագոյակցում են մթնոլորտում։

K-ն ոչինչ չի ասում արագության մասին։ Հսկայական K-ով ռեակցիան կարող է այնուամենայնիվ չափազանց դանդաղ լինել նկատելու համար։ Թե որքան արագ է հաստատվում հավասարակշռությունը, որոշում է կինետիկան, այլ ոչ թե հավասարակշռության հաստատունը։

Լուծված օրինակ՝ Kc և Kp ազոտի երկօքսիդի և երկազոտի քառօքսիդի համար

Գազեր ներառող ռեակցիաների համար հավասարակշռության հաստատունը կարելի է գրել նաև մասնակի ճնշումներով՝ ստանալով Kp։ Երկուսը կապված են Kp = Kc(RT)^Δn առնչությամբ, ինչը նշանակում է Kc՝ բազմապատկած RT-ի Δn աստիճանով, որտեղ Δn-ը գազային արգասիքների մոլերի և գազային ռեագենտների մոլերի տարբերությունն է, R = 0.08206 L atm mol⁻¹ K⁻¹, երբ ճնշումները atm-ով են, իսկ T-ն՝ կելվիններով։ Երբ Δn = 0, Kp-ն հավասար է Kc-ին։

OpenStax-ի 13.2 բաժինը նկարագրում է 25 °C-ում 1.0 L կոլբայում տեղադրված 0.10 mol NO₂, որը հավասարակշռության է հասնում [NO₂] = 0.016 mol/L և [N₂O₄] = 0.042 mol/L արժեքներով։ Որպես ստուգում՝ 0.016 + 2(0.042) = 0.100 mol/L, ուստի ամբողջ ազոտը հաշվառված է։ N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) ռեակցիայի համար Kc = [NO₂]²/[N₂O₄] = (0.016)² / 0.042 = 6.1 × 10⁻³՝ երկու նշանակալի թվանշանով։

Այստեղ Δn = 2 − 1 = 1, և RT = 0.08206 × 298.15 = 24.47։ Այսպիսով, Kp = (6.1 × 10⁻³)(24.47) = 0.15՝ atm-ով ճնշումներով։ Արժեքը Kc-ից մեծ է, քանի որ Δn-ը դրական է, իսկ RT-ն 1-ից մեծ է։

Հավասարման փոփոխությունը փոխում է K-ն

Քանի որ K-ն կառուցվում է հավասարեցված հավասարումից, հավասարման ցանկացած փոփոխություն K-ն փոխում է կանխատեսելի ձևով։ Այս կանոնները Հեսի օրենքում ΔH-ի մշակման կանոնների հավասարակշռային համարժեքն են՝ գումարման փոխարեն բազմապատկումով։

Լուծված օրինակ։ Սկսեք N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO(g), Kc = 4.1 × 10⁻⁴ ռեակցիայից 2000 °C-ում։ Այն շրջելը տալիս է 2 NO(g) ⇌ N₂(g) + O₂(g)՝ Kc = 1/(4.1 × 10⁻⁴) = 2.4 × 10³։ Ուղիղ հավասարումը կիսելը տալիս է ½ N₂(g) + ½ O₂(g) ⇌ NO(g)՝ Kc = √(4.1 × 10⁻⁴) = 2.0 × 10⁻²։ Երկուսն էլ անելով՝ NO(g) ⇌ ½ N₂(g) + ½ O₂(g) ունի Kc = 1/√(4.1 × 10⁻⁴) = 49։

• Շրջեք հավասարումը. նոր K-ն 1/K է։
• Յուրաքանչյուր գործակից բազմապատկեք n-ով. նոր K-ն Kⁿ է։ Հավասարումը կիսելը նշանակում է քառակուսի արմատ հանել։
• Գումարեք երկու հավասարում. բազմապատկեք նրանց K արժեքները։ Երկու K արժեքներն էլ պետք է լինեն նույն ջերմաստիճանի համար։

Q-ի համեմատումը K-ի հետ՝ ուղղությունը կանխատեսելու համար

Ռեակցիայի քանորդը՝ Q-ն, ունի ճիշտ նույն ձևը, ինչ K-ն, բայց օգտագործում է ցանկացած պահին առկա կոնցենտրացիաները, ոչ միայն հավասարակշռության վիճակում։ Q-ն K-ի հետ համեմատելը ցույց է տալիս, թե որ ուղղությամբ պետք է ընթանա ռեակցիան։ Եթե Q < K, արգասիքը չափազանց քիչ է, և ռեակցիան ընթանում է ուղիղ ուղղությամբ։ Եթե Q > K, արգասիքը չափազանց շատ է, և ռեակցիան ընթանում է հակադարձ ուղղությամբ։ Եթե Q = K, համակարգը հավասարակշռության մեջ է։

Լուծված օրինակ։ OpenStax-ի 13.2 բաժինը CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂(g) + H₂(g) ռեակցիայի համար 800 °C-ում տալիս է Kc = 0.640։ Խառնուրդը պարունակում է [CO] = 0.0500, [H₂O] = 0.0400, [CO₂] = 0.0300 և [H₂] = 0.0600 mol/L։ Q = (0.0300)(0.0600) / [(0.0500)(0.0400)] = 0.00180/0.00200 = 0.900։ Q-ն մեծ է K-ից, ուստի խառնուրդը տեղաշարժվում է դեպի CO և H₂O։

Երկրորդ խառնուրդն ունի նույն CO-ն և H₂O-ն, բայց [CO₂] = 0.0200 և [H₂] = 0.0250 mol/L։ Այժմ Q = (0.0200)(0.0250)/(0.00200) = 0.250, որը փոքր է 0.640-ից, ուստի այս խառնուրդը փոխազդում է ուղիղ ուղղությամբ և առաջացնում ավելի շատ CO₂ և H₂։

Լուծված օրինակ՝ K-ն չափված հավասարակշռային խառնուրդից

Մեկ հավասարակշռային քանակի չափումը հաճախ բավարար է K-ն գտնելու համար, քանի որ հավասարեցված հավասարումը որոշում է, թե ինչպես է փոխվել յուրաքանչյուր մյուս քանակը։ Այստեղի տվյալները պայմանական են։ Մեկ հաստատուն ջերմաստիճանում 0.500 mol PCl₅ փակվում է դատարկ 2.00 L կոլբայում, և թողնվում է, որ հաստատվի PCl₅(g) ⇌ PCl₃(g) + Cl₂(g) հավասարակշռությունը։ Հավասարակշռության վիճակում կոլբան պարունակում է 0.180 mol Cl₂։

Աշխատեք կոնցենտրացիաներով։ Սկզբնական [PCl₅]-ը 0.500 mol / 2.00 L = 0.250 mol/L է, իսկ հավասարակշռային [Cl₂]-ը՝ 0.180 mol / 2.00 L = 0.0900 mol/L։ Առաջացած Cl₂-ի յուրաքանչյուր մոլի հետ առաջանում է նաև PCl₃-ի մեկ մոլ և ծախսվում է PCl₅-ի մեկ մոլ, ուստի [PCl₃] = 0.0900 mol/L և [PCl₅] = 0.250 − 0.0900 = 0.160 mol/L։ Այդ դեպքում Kc = (0.0900)(0.0900)/0.160 = 0.0506։ Այս ջերմաստիճանում PCl₅-ի 36.0 տոկոսը քայքայվել է։ ICE աղյուսակների ուղեցույցն այս հաշվառումը տարածում է այն խնդիրների վրա, որտեղ պետք է գտնել հավասարակշռային քանակները։

Հավասարակշռության արտահայտության սխալներ

Կարճ ստուգաթերթը բռնում է K-ն գրելու և օգտագործելու սխալների մեծ մասը։

• Ռեագենտները դնել համարիչում։ Գրված հավասարման համար K-ն միշտ արգասիքներ՝ բաժանած ռեագենտների է։
• Բաց թողնել գործակիցները որպես աստիճանի ցուցիչներ կամ դրանք օգտագործել որպես բազմապատկիչներ։
• Արտահայտության մեջ ներառել մաքուր պինդ նյութ, մաքուր հեղուկ կամ լուծիչ ջուր։
• K-ում օգտագործել սկզբնական կոնցենտրացիաներ։ K-ի մեջ մտնում են միայն հավասարակշռային արժեքները. ցանկացած այլ հավաքածու տալիս է Q։
• Մոռանալ, որ K-ն կախված է ջերմաստիճանից։ K-ի արժեքն անիմաստ է առանց այն ջերմաստիճանի, որին այն վերաբերում է։
• Kc-ն Kp-ի փոխարկել՝ Δn-ը հաշվելով բոլոր մասնիկների, այլ ոչ միայն գազերի համար, կամ T-ն Ցելսիուսով վերցնելով։