ICE ცხრილები: წონასწორობის გამოთვლა ნაბიჯ-ნაბიჯ

რას აღრიცხავს ICE ცხრილის სამი სტრიქონი

ICE ნიშნავს Initial (საწყისი), Change (ცვლილება) და Equilibrium (წონასწორული). ზემოთ დაწერეთ გატოლებული განტოლება და თითოეულ სახეობას საკუთარი სვეტი მიეცით. საწყისი სტრიქონი შეიცავს კონცენტრაციებს (ან პარციალურ წნევებს) რეაქციის წანაცვლებამდე. ცვლილების სტრიქონი შეიცავს იმას, რამდენით იზრდება ან მცირდება თითოეული. წონასწორული სტრიქონი პირველი ორის ჯამია.

ქიმია ცვლილების სტრიქონშია. ყოველი ჩანაწერი ერთი უცნობის, x-ის, ჯერადია, ხოლო მამრავლები გატოლებული განტოლების კოეფიციენტებია. 2 SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 SO₃(g)-ისთვის, რომელიც პირდაპირი მიმართულებით მიდის, ცვლილებებია −2x, −x და +2x. როცა რეაქცია პირდაპირი მიმართულებით მიდის, რეაგენტები კლებულობს და პროდუქტები მატულობს; შებრუნებული მიმართულებისას ნიშნები იცვლება.

Kc-სთვის გამოიყენეთ მოლური კონცენტრაციები, Kp-სთვის კი პარციალური წნევები. სუფთა მყარი ნივთიერებები და სუფთა სითხეები წონასწორობის გამოსახულებაში არ შედის, ამიტომ ცხრილშიც ნუ შეიტანთ. საწყისი სტრიქონის შევსებამდე ნებისმიერი მოლები ჭურჭლის მოცულობაზე გაყოფით კონცენტრაციებში გადაიყვანეთ.

ცვლილების მიმართულების არჩევა Q-ით

ნიშნების მინიჭებამდე გადაწყვიტეთ, რა მიმართულებით უნდა წავიდეს რეაქცია. გამოთვალეთ რეაქციის ფარდობა Q საწყისი მნიშვნელობებიდან, K-ს გამოსახულების იმავე ფორმით. თუ Q K-ზე ნაკლებია, პროდუქტები ზედმეტად ცოტაა და რეაქცია პირდაპირი მიმართულებით მიდის. თუ Q K-ზე მეტია, ის შებრუნებული მიმართულებით მიდის. თუ Q K-ს უდრის, ნარევი უკვე წონასწორობაშია და არაფერი იცვლება.

როცა პროდუქტი ნულიდან იწყება, Q ნულია და რეაქცია პირდაპირი მიმართულებით უნდა წავიდეს, ამიტომ გამოთვლა შეგიძლიათ გამოტოვოთ. როცა ყველა სახეობა არსებობს, გამოთვალეთ Q. მაგალითად, აიღეთ გოგირდის ტრიოქსიდის რეაქცია Kc = 37.0-ით (ნაპოვნია შემდეგ ნაწილში) და ნარევი [SO₂] = 0.100 M-ით, [O₂] = 0.050 M-ით და [SO₃] = 0.500 M-ით. Q = (0.500)² / ((0.100)² × 0.050) = 500. Q K-ზე მეტია, ამიტომ SO₃ იშლება, სანამ ფარდობა 37.0-მდე არ შემცირდება.

გადაწყვეტილი მაგალითი: K ერთი გაზომილი კონცენტრაციიდან

ზოგჯერ უცნობი თავად K-ა. ვთქვათ, ჭურჭელში თავდაპირველად [SO₂] = 0.400 M და [O₂] = 0.200 M, SO₃ კი არ არის, ხოლო წონასწორობისას [SO₃] გაზომილია 0.250 M-ად. ეს მნიშვნელობები ამ სახელმძღვანელოსთვის შედგა მეთოდის საჩვენებლად; ისინი ლიტერატურული მონაცემები არ არის.

SO₃ 0-დან 0.250 M-მდე გაიზარდა, ამიტომ 2x = 0.250 და x = 0.125 M. ყველა სხვა ცვლილება კოეფიციენტებიდან გამომდინარეობს: SO₂ მცირდება 2x = 0.250 M-ით 0.150 M-მდე, O₂ კი x = 0.125 M-ით 0.075 M-მდე. მაშინ Kc = [SO₃]² / ([SO₂]²[O₂]) = (0.250)² / ((0.150)² × 0.075) = 37.0. ერთი გაზომილი კონცენტრაცია და სტექიომეტრია საკმარისი აღმოჩნდა სამივეს დასადგენად.

გადაწყვეტილი მაგალითი: როცა განტოლება სრული კვადრატია

H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2 HI(g)-ისთვის გამოიყენეთ Kc = 50.5, მნიშვნელობა, რომელსაც OpenStax Chemistry 2e-ის ნაწილი 13.4 ამ რეაქციისთვის თავისი მაგალითის პირობებში იყენებს. დაიწყეთ [H₂] = [I₂] = 0.500 M-ით, HI-ის გარეშე. Q ნულია, ამიტომ რეაქცია პირდაპირი მიმართულებით მიდის. ცხრილი თითოეული რეაგენტისთვის იძლევა 0.500 − x წონასწორულ მნიშვნელობას, HI-ისთვის კი 2x-ს.

გამოსახულებაა 50.5 = (2x)² / (0.500 − x)². ორივე მხარე სრული კვადრატია, ამიტომ გაშლის ნაცვლად ამოიღეთ კვადრატული ფესვი: 7.106 = 2x / (0.500 − x). გადალაგება იძლევა x = 0.500 × 7.106 / (2 + 7.106) = 0.390 M. წონასწორობისას [H₂] = [I₂] = 0.110 M და [HI] = 0.780 M. შემოწმება: (0.780)² / (0.110)² = 50.3, რაც 50.5-ს კონცენტრაციების დამრგვალების ფარგლებში ემთხვევა.

კვადრატული ფესვის ხერხი მხოლოდ მაშინ მუშაობს, როცა გამოსახულება სრული კვადრატია, რაც აქ ორი რეაგენტის ტოლ საწყის რაოდენობებს მოითხოვს. არატოლი რაოდენობებისას კვადრატული განტოლება უნდა ამოხსნათ.

გადაწყვეტილი მაგალითი: სრული კვადრატული განტოლების ამოხსნა

PCl₅(g) ⇌ PCl₃(g) + Cl₂(g)-ისთვის OpenStax-ის ნაწილი 13.4 იყენებს Kc = 0.0211-ს. დაიწყეთ [PCl₅] = 0.400 M-ით და [Cl₂] = 0.100 M-ით, PCl₃-ის გარეშე. Q ნულია, ამიტომ რეაქცია პირდაპირი მიმართულებით მიდის. წონასწორული მნიშვნელობებია 0.400 − x, x და 0.100 + x.

ჩასვით: 0.0211 = x(0.100 + x) / (0.400 − x). გაამრავლეთ და დააჯგუფეთ წევრები, რომ მიიღოთ x² + 0.1211x − 0.00844 = 0. კვადრატული განტოლების ფორმულა იძლევა x = 0.0495-ს ან x = −0.171-ს. უარყოფითი ფესვი [PCl₃]-ს უარყოფითს გახდიდა, ამიტომ უარყავით. წონასწორობისას [PCl₅] = 0.351 M, [PCl₃] = 0.0495 M და [Cl₂] = 0.150 M. უკან ჩასმა იძლევა 0.0211-ს, ამიტომ პასუხი სწორია.

შენიშნეთ, რომ უკვე არსებულმა Cl₂-მა რეაქცია შეაკავა. მხოლოდ 0.400 M PCl₅-დან დაწყებისას იგივე K იძლევა x = 0.0819 M-ს, ამიტომ დამატებულმა პროდუქტმა დაშლის ხარისხი შეამცირა, როგორც ლე შატელიეს პრინციპი წინასწარმეტყველებს.

როცა x მცირეა: მიახლოება და 5 პროცენტის შემოწმება

როცა K მცირეა, საწყისი კონცენტრაციები კი არა, რეაქცია თითქმის არ მოძრაობს, და 0.0400 − x თითქმის ზუსტად 0.0400-ია. ამ წევრებიდან x-ის გამოტოვება კვადრატულ განტოლებას ერთსაფეხურიან გამოთვლად აქცევს. მიახლოება მიიღება, როცა x იმ კონცენტრაციის 5 პროცენტზე ნაკლებია, რომელსაც გამოაკლეს.

გადაწყვეტილი მაგალითი. N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO(g)-ისთვის OpenStax-ის ნაწილი 13.4 2000 °C-ზე იძლევა Kc = 4.1 × 10⁻⁴-ს. დაიწყეთ [N₂] = 0.0400 M-ით და [O₂] = 0.0100 M-ით. მაშინ 4.1 × 10⁻⁴ = (2x)² / ((0.0400 − x)(0.0100 − x)). მიახლოებით: 4x² = 4.1 × 10⁻⁴ × 0.0400 × 0.0100, ამიტომ x = 2.0 × 10⁻⁴ M და [NO] = 2x = 4.0 × 10⁻⁴ M. შეამოწმეთ უფრო მცირე საწყის მნიშვნელობასთან: 2.0 × 10⁻⁴ / 0.0100 = 2 პროცენტი, 5 პროცენტზე ნაკლები. ზუსტი კვადრატული განტოლება იმავე [NO]-ს იძლევა ორ მნიშვნელოვან ციფრამდე.

მიახლოება არ მუშაობს, როცა K კონცენტრაციებთან შედარებით მცირე არ არის. მხოლოდ PCl₅-ისთვის 0.400 M-ზე Kc = 0.0211-ით, x-ის მცირედ მიჩნევა იძლევა x = 0.092 M-ს, რაც 0.400-ის 23 პროცენტია. ზუსტი პასუხია 0.0819 M, ამიტომ მოკლე გზა დაახლოებით 12 პროცენტით გადააჭარბებდა. შემოწმება ყოველთვის ჩაატარეთ; არასოდეს ივარაუდოთ.

პარციალური წნევები და შებრუნებული რეაქცია

ICE ცხრილი ასევე მუშაობს პარციალური წნევებითა და Kp-ით. რეაქციისთვის, რომელშიც აირის მოლების რაოდენობა არ იცვლება, Kp უდრის Kc-ს. ეს ეხება წყალბადის იოდიდის წონასწორობას, რომელსაც თითოეულ მხარეს აირის ორი მოლი აქვს.

გადაწყვეტილი მაგალითი. სუფთა HI თავსდება ჭურჭელში 2.00 atm-ზე და ეძლევა დაშლის საშუალება: 2 HI(g) ⇌ H₂(g) + I₂(g). ეს ზემოთ მოცემული რეაქციის შებრუნებულია, ამიტომ მისი მუდმივაა 1/50.5 = 0.0198. ცვლილებებია −2x HI-ისთვის და +x თითოეული პროდუქტისთვის. მაშინ 0.0198 = x² / (2.00 − 2x)². კვადრატული ფესვის ამოღებით 0.1407 = x / (2.00 − 2x), რაც იძლევა x = 0.220 atm-ს. წონასწორობისას P(H₂) = P(I₂) = 0.220 atm და P(HI) = 1.56 atm.

ICE ცხრილის შეცდომები და როგორ დავიჭიროთ ისინი

საბოლოო შემოწმება თითქმის ყოველ შეცდომას აჩენს: ჩასვით წონასწორული მნიშვნელობები K-ს გამოსახულებაში და დარწმუნდით, რომ K-ს მონაცემების სიზუსტით იღებთ.

• ცხრილში მოლების ჩაწერა, როცა ჭურჭელი 1 L არ არის. ჯერ მოცულობაზე გაყავით.
• ცვლილების სტრიქონში ყველა კოეფიციენტისთვის 1-ის გამოყენება, მაგალითად −x −2x-ის ნაცვლად SO₂-ისთვის.
• K-ს გამოსახულებაში წევრის კვადრატში ან კუბში აყვანის დავიწყება მისი კოეფიციენტის შესაბამისად.
• იმის დაშვება, რომ რეაქცია პირდაპირი მიმართულებით მიდის, როცა პროდუქტები თავიდანვე არსებობს. გამოთვალეთ Q.
• ფესვის შენარჩუნება, რომელიც რომელიმე კონცენტრაციას უარყოფითს ან ფიზიკურად შესაძლებელზე დიდს ხდის.
• x-ის გამოტოვება იმის შემოწმების გარეშე, რომ ის საწყისი მნიშვნელობის 5 პროცენტზე ნაკლებია.
• სუფთა მყარი ნივთიერების ან სითხის ჩართვა ცხრილში ან გამოსახულებაში.
• პირდაპირი რეაქციის K-ს გამოყენება, როცა ამოცანა შებრუნებულადაა დაწერილი. რეაქციის შებრუნება K-ს აბრუნებს.