Jafnvægisfastar: K skrifað, Q lesið og Kc umbreytt í Kp

Kvikt jafnvægi: framhvarf og bakhvarf jafnhröð

Í afturkræfu efnahvarfi geta myndefni hvarfast og myndað hvarfefnin aftur. Þegar framhvarfið notar upp hvarfefni hægist á því og þegar myndefni safnast upp eykst hraði bakhvarfsins. Jafnvægi næst þegar hraðarnir tveir eru jafnir. Upp frá því haldast styrkirnir fastir þótt bæði hvörfin haldi áfram. Þess vegna kalla efnafræðingar það kvikt jafnvægi og skrifa það með tvíhliða ör, ⇌.

Sömu jafnvægissamsetningu má ná frá hvorri hlið sem er. Lokuð flaska sem byrjar með hreinu NO₂ og önnur jafnstór sem byrjar með jafngildu magni af hreinu N₂O₄ enda í sömu blöndu þegar þeim er haldið við sama hitastig. Jafnvægi næst aðeins í lokuðu kerfi; ef myndefni sleppur út, eins og CO₂ gerir úr opnu íláti, nær hvarfið aldrei jafnvægi.

Segð fyrir K byggð upp út frá jafnaðri efnajöfnu

Fyrir almennt efnahvarf aA + bB ⇌ cC + dD gefur lögmál massavirkni jafnvægisfastann út frá mólstyrk: Kc = [C]ᶜ[D]ᵈ / ([A]ᵃ[B]ᵇ). Myndefni eru í teljara, hvarfefni í nefnara og hver styrkur er hafinn í veldi stuðuls síns. Ólíkt hraðalögmáli kemur þessi segð beint úr jöfnuðu efnajöfnunni.

Hreinum föstum efnum og hreinum vökvum er sleppt, því virkur styrkur þeirra breytist ekki eftir því sem hvarfinu miðar. Vatni er líka sleppt þegar það er leysirinn í þynntri vatnslausn. Til dæmis hefur niðurbrotið CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) Kc = [CO₂]. Við tiltekið hitastig er jafnvægisþrýstingur CO₂ yfir föstu efnunum fastur, óháð magni fastefnanna tveggja.

Strangt til tekið er jafnvægisfasti byggður á virkni, sem er einingalaus, svo K er gefinn upp án eininga. Notkun styrks í mol/L eða þrýstings í atm eða bar er venjuleg nálgun í almennri efnafræði.

Stærð K lesin

Stór K þýðir að við jafnvægi eru myndefnin ríkjandi; lítill K þýðir að hvarfefnin eru ríkjandi. Sem gróft viðmið þýðir K stærri en um 10³ að hvarfið gangi nánast til fulls, K minni en um 10⁻³ þýðir að lítið myndefni myndast og gildi þar á milli gefa blöndu með umtalsverðu magni af hvoru tveggja.

Kafli 13.4 í OpenStax gefur Kc = 4.1 × 10⁻⁴ fyrir N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO(g) við 2000 °C. Jafnvel við það hitastig inniheldur loft aðeins lítið NO við jafnvægi. Við stofuhita er fastinn enn miklu minni, og þess vegna eru köfnunarefni og súrefni saman í lofthjúpnum.

K segir ekkert um hraða. Efnahvarf með gríðarstóran K getur samt verið of hægt til að sjást. Hraðafræði, ekki jafnvægisfastinn, ræður því hve fljótt jafnvægi næst.

Útreiknað dæmi: Kc og Kp fyrir köfnunarefnisdíoxíð og díköfnunarefnistetroxíð

Fyrir efnahvörf með lofttegundum má líka skrifa jafnvægisfastann með hlutþrýstingi, sem gefur Kp. Þeir tengjast með Kp = Kc(RT)^Δn, sem merkir Kc margfaldaðan með RT í veldinu Δn, þar sem Δn er mól loftkenndra myndefna mínus mól loftkenndra hvarfefna, R = 0.08206 L atm mol⁻¹ K⁻¹ þegar þrýstingur er í atm og T er í kelvinum. Þegar Δn = 0 er Kp jafn Kc.

Kafli 13.2 í OpenStax lýsir 0.10 mol af NO₂ sem sett eru í 1.0 L flösku við 25 °C og ná jafnvægi með [NO₂] = 0.016 mol/L og [N₂O₄] = 0.042 mol/L. Til athugunar er 0.016 + 2(0.042) = 0.100 mol/L, svo gert er grein fyrir öllu köfnunarefninu. Fyrir N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) er Kc = [NO₂]²/[N₂O₄] = (0.016)² / 0.042 = 6.1 × 10⁻³, með tveimur marktækum tölustöfum.

Hér er Δn = 2 − 1 = 1 og RT = 0.08206 × 298.15 = 24.47. Því er Kp = (6.1 × 10⁻³)(24.47) = 0.15, með þrýsting í atm. Gildið er stærra en Kc því Δn er jákvætt og RT er stærra en 1.

Breytt jafna breytir K

Þar sem K er byggður á jöfnuðu efnajöfnunni breytir hver breyting á jöfnunni K á fyrirsjáanlegan hátt. Þessar reglur eru hliðstæða reglnanna um meðhöndlun ΔH í lögmáli Hess, með margföldun í stað samlagningar.

Útreiknað dæmi. Byrjaðu á N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO(g), Kc = 4.1 × 10⁻⁴ við 2000 °C. Ef jöfnunni er snúið við fæst 2 NO(g) ⇌ N₂(g) + O₂(g) með Kc = 1/(4.1 × 10⁻⁴) = 2.4 × 10³. Ef framhvarfsjafnan er helminguð fæst ½ N₂(g) + ½ O₂(g) ⇌ NO(g) með Kc = √(4.1 × 10⁻⁴) = 2.0 × 10⁻². Ef hvort tveggja er gert hefur NO(g) ⇌ ½ N₂(g) + ½ O₂(g) Kc = 1/√(4.1 × 10⁻⁴) = 49.

• Snúðu jöfnunni við: nýi K er 1/K.
• Margfaldaðu hvern stuðul með n: nýi K er Kⁿ. Helmingun jöfnunnar tekur kvaðratrótina.
• Leggðu saman tvær jöfnur: margfaldaðu K-gildi þeirra. Bæði K-gildin verða að eiga við sama hitastig.

Q borið saman við K til að spá fyrir um stefnu

Hvarfhlutfallið, Q, hefur nákvæmlega sama form og K en notar styrkinn sem er til staðar á hverju augnabliki, ekki aðeins við jafnvægi. Samanburður Q og K segir þér í hvaða átt hvarfið verður að ganga. Ef Q < K er of lítið myndefni og hvarfið gengur áfram. Ef Q > K er of mikið myndefni og hvarfið gengur til baka. Ef Q = K er kerfið í jafnvægi.

Útreiknað dæmi. Kafli 13.2 í OpenStax gefur Kc = 0.640 við 800 °C fyrir CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂(g) + H₂(g). Blanda inniheldur [CO] = 0.0500, [H₂O] = 0.0400, [CO₂] = 0.0300 og [H₂] = 0.0600 mol/L. Q = (0.0300)(0.0600) / [(0.0500)(0.0400)] = 0.00180/0.00200 = 0.900. Q er stærra en K, svo blandan hliðrast í átt að CO og H₂O.

Önnur blanda hefur sama CO og H₂O en [CO₂] = 0.0200 og [H₂] = 0.0250 mol/L. Nú er Q = (0.0200)(0.0250)/(0.00200) = 0.250, sem er minna en 0.640, svo þessi blanda hvarfast áfram og myndar meira CO₂ og H₂.

Útreiknað dæmi: K út frá mældri jafnvægisblöndu

Oft dugar að mæla eitt jafnvægismagn til að finna K, því jafnaða efnajafnan ákvarðar hvernig hvert annað magn breyttist. Gögnin hér eru til skýringar. Við eitt fast hitastig er 0.500 mol af PCl₅ lokað inni í tómri 2.00 L flösku og látið ná jafnvægi PCl₅(g) ⇌ PCl₃(g) + Cl₂(g). Við jafnvægi inniheldur flaskan 0.180 mol af Cl₂.

Reiknaðu með styrk. Upphafsstyrkur [PCl₅] er 0.500 mol / 2.00 L = 0.250 mol/L og jafnvægisstyrkur [Cl₂] er 0.180 mol / 2.00 L = 0.0900 mol/L. Hvert mól af Cl₂ sem myndast myndar líka eitt mól af PCl₃ og notar eitt mól af PCl₅, svo [PCl₃] = 0.0900 mol/L og [PCl₅] = 0.250 − 0.0900 = 0.160 mol/L. Þá er Kc = (0.0900)(0.0900)/0.160 = 0.0506. Við þetta hitastig brotnuðu 36.0 prósent af PCl₅ niður. Leiðarvísirinn um ICE-töflur útvíkkar þetta bókhald til dæma þar sem þú þarft að leysa fyrir jafnvægismagni.

Mistök í jafnvægissegðum

Stuttur gátlisti finnur flestar villur við ritun og notkun K.

• Að setja hvarfefni í teljarann. K er alltaf myndefni yfir hvarfefnum fyrir jöfnuna eins og hún er skrifuð.
• Að sleppa stuðlunum sem veldisvísum, eða nota þá sem margfaldara í staðinn.
• Að taka hreint fast efni, hreinan vökva eða vatn sem leysi með í segðina.
• Að nota upphafsstyrk í K. Aðeins jafnvægisgildi eiga heima í K; hvert annað mengi gefur Q.
• Að gleyma að K fer eftir hitastigi. K-gildi er merkingarlaust án hitastigsins sem það á við.
• Að umbreyta Kc í Kp með Δn talið yfir öll efni í stað lofttegunda eingöngu, eða með T í Celsíus.