წონასწორობის მუდმივები: K-ს ჩაწერა, Q-ს წაკითხვა და Kc-ს Kp-ში გადაყვანა

დინამიკური წონასწორობა: პირდაპირი და შებრუნებული რეაქციები ტოლი სიჩქარით

შექცევად რეაქციაში პროდუქტებს შეუძლიათ ურთიერთქმედება და რეაგენტების ხელახლა წარმოქმნა. რეაგენტების ხარჯვასთან ერთად პირდაპირი რეაქცია ნელდება, პროდუქტების დაგროვებასთან ერთად კი შებრუნებული რეაქცია ჩქარდება. წონასწორობა მიიღწევა, როცა ორი სიჩქარე ტოლდება. ამის შემდეგ კონცენტრაციები მუდმივი რჩება, თუმცა ორივე რეაქცია გრძელდება. ამიტომ უწოდებენ ქიმიკოსები მას დინამიკურ წონასწორობას და ორმაგი ისრით, ⇌, წერენ.

ერთი და იგივე წონასწორული შედგენილობა ორივე მხრიდან შეიძლება მიიღწეს. დალუქული კოლბა, რომელიც სუფთა NO₂-ით იწყება, და იმავე მოცულობის კოლბა, რომელიც სუფთა N₂O₄-ის ეკვივალენტური რაოდენობით იწყება, ერთსა და იმავე ტემპერატურაზე შენახვისას ერთსა და იმავე ნარევზე მთავრდება. წონასწორობა მხოლოდ დახურულ სისტემაში მიიღწევა; თუ პროდუქტი გადის, როგორც CO₂ ღია ჭურჭლიდან, რეაქცია ვერასოდეს დასტაბილურდება.

K-ს გამოსახულების აგება გატოლებული განტოლებიდან

ზოგადი რეაქციისთვის aA + bB ⇌ cC + dD მოქმედ მასათა კანონი წონასწორობის მუდმივას მოლური კონცენტრაციებით იძლევა: Kc = [C]ᶜ[D]ᵈ / ([A]ᵃ[B]ᵇ). პროდუქტები მრიცხველშია, რეაგენტები მნიშვნელში, და თითოეული კონცენტრაცია მისი კოეფიციენტის ხარისხშია აყვანილი. სიჩქარის კანონისგან განსხვავებით, ეს გამოსახულება პირდაპირ გატოლებული განტოლებიდან მოდის.

სუფთა მყარი ნივთიერებები და სუფთა სითხეები არ შედის, რადგან მათი ეფექტური კონცენტრაცია რეაქციის მსვლელობისას არ იცვლება. წყალიც არ შედის, როცა ის განზავებულ წყალხსნარში გამხსნელია. მაგალითად, დაშლის რეაქციას CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) აქვს Kc = [CO₂]. მოცემულ ტემპერატურაზე CO₂-ის წონასწორული წნევა მყარი ნივთიერებების ზემოთ ფიქსირებულია, რაც არ უნდა იყოს ორი მყარი ნივთიერების რაოდენობა.

მკაცრად რომ ვთქვათ, წონასწორობის მუდმივა აქტივობებით იგება, რომლებსაც ერთეულები არ აქვს, ამიტომ K ერთეულების გარეშე მიეთითება. mol/L-ში კონცენტრაციების ან atm-სა თუ bar-ში წნევების გამოყენება ზოგად ქიმიაში ჩვეულებრივი მიახლოებაა.

K-ს სიდიდის წაკითხვა

დიდი K ნიშნავს, რომ წონასწორობისას პროდუქტები ჭარბობს; მცირე K ნიშნავს, რომ რეაგენტები ჭარბობს. მიახლოებით, K დაახლოებით 10³-ზე მეტი ნიშნავს, რომ რეაქცია თითქმის სრულია, K დაახლოებით 10⁻³-ზე ნაკლები ნიშნავს, რომ პროდუქტი ცოტა წარმოიქმნება, ხოლო შუალედური მნიშვნელობები ორივეს მნიშვნელოვანი რაოდენობების ნარევს იძლევა.

OpenStax-ის ნაწილი 13.4 რეაქციისთვის N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO(g) 2000 °C-ზე იძლევა Kc = 4.1 × 10⁻⁴-ს. ამ ტემპერატურაზეც კი ჰაერი წონასწორობისას მხოლოდ ცოტა NO-ს შეიცავს. ოთახის ტემპერატურაზე მუდმივა კიდევ გაცილებით მცირეა, რის გამოც აზოტი და ჟანგბადი ატმოსფეროში ერთად არსებობს.

K სიჩქარეზე არაფერს ამბობს. უზარმაზარი K-ს მქონე რეაქცია მაინც შეიძლება დასაკვირვებლად ზედმეტად ნელი იყოს. იმას, რამდენად სწრაფად მიიღწევა წონასწორობა, კინეტიკა წყვეტს და არა წონასწორობის მუდმივა.

გადაწყვეტილი მაგალითი: Kc და Kp აზოტის დიოქსიდისა და დიაზოტის ტეტროქსიდისთვის

აირების მონაწილეობით მიმდინარე რეაქციებისთვის წონასწორობის მუდმივა შეიძლება პარციალური წნევებითაც დაიწეროს, რაც Kp-ს იძლევა. ისინი დაკავშირებულია Kp = Kc(RT)^Δn-ით, რაც ნიშნავს Kc-ს გამრავლებულს RT-ზე აყვანილს Δn ხარისხში, სადაც Δn აირადი პროდუქტების მოლებს მინუს აირადი რეაგენტების მოლებია, R = 0.08206 L atm mol⁻¹ K⁻¹, როცა წნევები atm-შია, ხოლო T კელვინებშია. როცა Δn = 0, Kp უდრის Kc-ს.

OpenStax-ის ნაწილი 13.2 აღწერს 0.10 mol NO₂-ს, მოთავსებულს 1.0 L კოლბაში 25 °C-ზე, რომელიც წონასწორობას აღწევს [NO₂] = 0.016 mol/L-ით და [N₂O₄] = 0.042 mol/L-ით. შემოწმებისთვის, 0.016 + 2(0.042) = 0.100 mol/L, ამიტომ მთელი აზოტი აღრიცხულია. N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g)-ისთვის Kc = [NO₂]²/[N₂O₄] = (0.016)² / 0.042 = 6.1 × 10⁻³, ორ მნიშვნელოვან ციფრამდე.

აქ Δn = 2 − 1 = 1, და RT = 0.08206 × 298.15 = 24.47. მაშასადამე, Kp = (6.1 × 10⁻³)(24.47) = 0.15, როცა წნევები atm-შია. მნიშვნელობა Kc-ზე დიდია, რადგან Δn დადებითია და RT 1-ზე მეტია.

განტოლების შეცვლა K-ს ცვლის

რადგან K გატოლებული განტოლებიდან იგება, განტოლების ნებისმიერი ცვლილება K-ს პროგნოზირებადად ცვლის. ეს წესები ჰესის კანონში ΔH-თან მოპყრობის წესების წონასწორულ ანალოგს წარმოადგენს, შეკრების ნაცვლად გამრავლებით.

გადაწყვეტილი მაგალითი. დაიწყეთ N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO(g)-ით, Kc = 4.1 × 10⁻⁴ 2000 °C-ზე. მისი შებრუნება იძლევა 2 NO(g) ⇌ N₂(g) + O₂(g)-ს Kc = 1/(4.1 × 10⁻⁴) = 2.4 × 10³-ით. პირდაპირი განტოლების განახევრება იძლევა ½ N₂(g) + ½ O₂(g) ⇌ NO(g)-ს Kc = √(4.1 × 10⁻⁴) = 2.0 × 10⁻²-ით. ორივეს შესრულებით, NO(g) ⇌ ½ N₂(g) + ½ O₂(g)-ს აქვს Kc = 1/√(4.1 × 10⁻⁴) = 49.

• შეაბრუნეთ განტოლება: ახალი K არის 1/K.
• გაამრავლეთ ყველა კოეფიციენტი n-ზე: ახალი K არის Kⁿ. განტოლების განახევრება კვადრატულ ფესვს იღებს.
• შეკრიბეთ ორი განტოლება: გაამრავლეთ მათი K მნიშვნელობები. ორივე K მნიშვნელობა ერთსა და იმავე ტემპერატურას უნდა ეხებოდეს.

Q-ს შედარება K-სთან მიმართულების საწინასწარმეტყველოდ

რეაქციის ფარდობას, Q, ზუსტად იგივე ფორმა აქვს, რაც K-ს, მაგრამ იყენებს ნებისმიერ მომენტში არსებულ კონცენტრაციებს და არა მხოლოდ წონასწორულს. Q-ს შედარება K-სთან გეუბნებათ, რა მიმართულებით უნდა წავიდეს რეაქცია. თუ Q < K, პროდუქტი ზედმეტად ცოტაა და რეაქცია პირდაპირი მიმართულებით მიდის. თუ Q > K, პროდუქტი ზედმეტად ბევრია და რეაქცია შებრუნებული მიმართულებით მიდის. თუ Q = K, სისტემა წონასწორობაშია.

გადაწყვეტილი მაგალითი. OpenStax-ის ნაწილი 13.2 რეაქციისთვის CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂(g) + H₂(g) 800 °C-ზე იძლევა Kc = 0.640-ს. ნარევი შეიცავს [CO] = 0.0500, [H₂O] = 0.0400, [CO₂] = 0.0300 და [H₂] = 0.0600 mol/L. Q = (0.0300)(0.0600) / [(0.0500)(0.0400)] = 0.00180/0.00200 = 0.900. Q K-ზე დიდია, ამიტომ ნარევი CO-სა და H₂O-სკენ გადაინაცვლებს.

მეორე ნარევს იგივე CO და H₂O აქვს, მაგრამ [CO₂] = 0.0200 და [H₂] = 0.0250 mol/L. ახლა Q = (0.0200)(0.0250)/(0.00200) = 0.250, რაც 0.640-ზე ნაკლებია, ამიტომ ეს ნარევი პირდაპირი მიმართულებით რეაგირებს და მეტ CO₂-სა და H₂-ს წარმოქმნის.

გადაწყვეტილი მაგალითი: K გაზომილი წონასწორული ნარევიდან

K-ს საპოვნელად ხშირად საკმარისია ერთი წონასწორული რაოდენობის გაზომვა, რადგან გატოლებული განტოლება აფიქსირებს, როგორ შეიცვალა ყველა დანარჩენი რაოდენობა. აქ მოცემული მონაცემები საილუსტრაციოა. ერთ ფიქსირებულ ტემპერატურაზე 0.500 mol PCl₅ ილუქება ცარიელ 2.00 L კოლბაში და ეძლევა საშუალება, მიაღწიოს წონასწორობას PCl₅(g) ⇌ PCl₃(g) + Cl₂(g). წონასწორობისას კოლბა შეიცავს 0.180 mol Cl₂-ს.

იმუშავეთ კონცენტრაციებით. საწყისი [PCl₅] არის 0.500 mol / 2.00 L = 0.250 mol/L, ხოლო წონასწორული [Cl₂] არის 0.180 mol / 2.00 L = 0.0900 mol/L. წარმოქმნილი Cl₂-ის ყოველი მოლი ასევე წარმოქმნის PCl₃-ის ერთ მოლს და ხარჯავს PCl₅-ის ერთ მოლს, ამიტომ [PCl₃] = 0.0900 mol/L და [PCl₅] = 0.250 − 0.0900 = 0.160 mol/L. მაშინ Kc = (0.0900)(0.0900)/0.160 = 0.0506. ამ ტემპერატურაზე PCl₅-ის 36.0 პროცენტი დაიშალა. ICE ცხრილების სახელმძღვანელო ამ აღრიცხვას ავრცობს ამოცანებზე, სადაც წონასწორული რაოდენობები უნდა გამოთვალოთ.

წონასწორობის გამოსახულების შეცდომები

მოკლე საკონტროლო სია K-ს ჩაწერისა და გამოყენების შეცდომების უმეტესობას აჩენს.

• რეაგენტების მრიცხველში ჩაწერა. დაწერილი განტოლებისთვის K ყოველთვის პროდუქტებია გაყოფილი რეაგენტებზე.
• კოეფიციენტების ხარისხის მაჩვენებლებად გამოტოვება, ან მათი მამრავლებად გამოყენება.
• გამოსახულებაში სუფთა მყარი ნივთიერების, სუფთა სითხის ან გამხსნელი წყლის ჩართვა.
• საწყისი კონცენტრაციების გამოყენება K-ში. K-ში მხოლოდ წონასწორული მნიშვნელობები შედის; ნებისმიერი სხვა ნაკრები Q-ს იძლევა.
• იმის დავიწყება, რომ K ტემპერატურაზეა დამოკიდებული. K-ს მნიშვნელობას აზრი არ აქვს იმ ტემპერატურის გარეშე, რომელსაც ის ეხება.
• Kc-ს Kp-ში გადაყვანა Δn-ით, რომელიც ყველა სახეობაზეა დათვლილი და არა მხოლოდ აირებზე, ან T-ით ცელსიუსში.