Тепе-теңдік тұрақтылары: K-ны жазу, Q-ды оқу және Kc-ны Kp-ға түрлендіру

Динамикалық тепе-теңдік: тура және кері реакциялар бірдей жылдамдықпен

Қайтымды реакцияда өнімдер әрекеттесіп, реагенттерді қайта түзе алады. Тура реакция реагенттерді жұмсаған сайын баяулайды, ал өнімдер жиналған сайын кері реакция жылдамдайды. Екі жылдамдық теңескенде тепе-теңдікке жетеді. Осы сәттен бастап екі реакция да жалғасып жатса да, концентрациялар тұрақты болып қалады. Сондықтан химиктер оны динамикалық тепе-теңдік деп атайды және қос бағыттағы көрсеткімен, ⇌, жазады.

Бір тепе-теңдік құрамына екі жақтан да жетуге болады. Таза NO₂-ден басталатын тығыз жабылған колба мен таза N₂O₄-тің эквивалентті мөлшерінен басталатын көлемі бірдей колба бір температурада ұсталса, бірдей қоспамен аяқталады. Тепе-теңдікке тек жабық жүйеде жетеді; егер өнім ашық ыдыстан CO₂ сияқты ұшып кетсе, реакция ешқашан тоқтамайды.

Теңестірілген теңдеуден K өрнегін құру

Жалпы aA + bB ⇌ cC + dD реакциясы үшін әрекеттесуші массалар заңы тепе-теңдік тұрақтысын молярлық концентрациялар арқылы береді: Kc = [C]ᶜ[D]ᵈ / ([A]ᵃ[B]ᵇ). Өнімдер алымда, реагенттер бөлімде, ал әр концентрация өз коэффициентінің дәрежесіне шығарылады. Жылдамдық заңынан айырмашылығы, бұл өрнек тікелей теңестірілген теңдеуден шығады.

Таза қатты заттар мен таза сұйықтар есепке алынбайды, өйткені олардың тиімді концентрациясы реакция жүрген сайын өзгермейді. Сұйылтылған сулы ерітіндіде еріткіш болатын су да есепке алынбайды. Мысалы, CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) ыдырауы үшін Kc = [CO₂]. Берілген температурада қатты заттар үстіндегі CO₂-нің тепе-тең қысымы екі қатты заттың мөлшеріне қарамастан тұрақты.

Қатаң айтқанда, тепе-теңдік тұрақтысы өлшем бірлігі жоқ белсенділіктерден құрылады, сондықтан K өлшем бірлігінсіз жазылады. mol/L бірлігіндегі концентрацияларды немесе atm не bar бірлігіндегі қысымдарды қолдану жалпы химиядағы әдеттегі жуықтау.

K шамасын түсіндіру

Үлкен K тепе-теңдікте өнімдер басым екенін білдіреді; кіші K реагенттер басым екенін білдіреді. Шамамен бағдар ретінде: шамамен 10³-тен үлкен K реакцияның соңына жақын жүретінін, шамамен 10⁻³-тен кіші K өнім аз түзілетінін білдіреді, ал аралық мәндер екеуі де едәуір мөлшерде болатын қоспа береді.

OpenStax 13.4-бөлімі 2000 °C кезінде N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO(g) үшін Kc = 4.1 × 10⁻⁴ береді. Тіпті осы температурада тепе-теңдіктегі ауада NO аз ғана болады. Бөлме температурасында тұрақты одан да әлдеқайда кіші, сондықтан атмосферада азот пен оттек қатар өмір сүреді.

K жылдамдық туралы ештеңе айтпайды. K мәні орасан зор реакция бәрібір байқау үшін тым баяу болуы мүмкін. Тепе-теңдікке қаншалықты тез жететінін тепе-теңдік тұрақтысы емес, кинетика анықтайды.

Шешілген мысал: азот диоксиді мен диазот тетраоксиді үшін Kc және Kp

Газдар қатысатын реакциялар үшін тепе-теңдік тұрақтысын парциал қысымдар арқылы да жазуға болады, бұл Kp береді. Екеуі Kp = Kc(RT)^Δn арқылы байланысқан, яғни Kc RT-ның Δn дәрежесіне көбейтіледі, мұндағы Δn — газ тәрізді өнімдердің моль санынан газ тәрізді реагенттердің моль санын алғандағы айырма, қысымдар atm бірлігінде болғанда R = 0.08206 L atm mol⁻¹ K⁻¹, ал T кельвинмен беріледі. Δn = 0 болғанда Kp Kc-ға тең.

OpenStax 13.2-бөлімі 25 °C кезінде 1.0 L колбаға салынған 0.10 mol NO₂-ні сипаттайды, ол [NO₂] = 0.016 mol/L және [N₂O₄] = 0.042 mol/L болғанда тепе-теңдікке келеді. Тексеру ретінде: 0.016 + 2(0.042) = 0.100 mol/L, сондықтан барлық азот ескерілген. N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) үшін Kc = [NO₂]²/[N₂O₄] = (0.016)² / 0.042 = 6.1 × 10⁻³, екі маңызды цифрға дейін.

Мұнда Δn = 2 − 1 = 1, және RT = 0.08206 × 298.15 = 24.47. Сонда Kp = (6.1 × 10⁻³)(24.47) = 0.15, қысымдар atm бірлігінде. Мән Kc-дан үлкен, өйткені Δn оң және RT 1-ден үлкен.

Теңдеуді өзгерту K-ны өзгертеді

K теңестірілген теңдеуден құрылатындықтан, теңдеудің кез келген өзгерісі K-ны болжамды түрде өзгертеді. Бұл ережелер Гесс заңындағы ΔH-пен жұмыс ережелерінің тепе-теңдіктегі баламасы, тек қосудың орнына көбейту қолданылады.

Шешілген мысал. 2000 °C кезіндегі N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO(g), Kc = 4.1 × 10⁻⁴ теңдеуінен бастаңыз. Оны кері бұру 2 NO(g) ⇌ N₂(g) + O₂(g) береді, Kc = 1/(4.1 × 10⁻⁴) = 2.4 × 10³. Тура теңдеуді екіге бөлу ½ N₂(g) + ½ O₂(g) ⇌ NO(g) береді, Kc = √(4.1 × 10⁻⁴) = 2.0 × 10⁻². Екеуін де орындағанда NO(g) ⇌ ½ N₂(g) + ½ O₂(g) үшін Kc = 1/√(4.1 × 10⁻⁴) = 49.

• Теңдеуді кері бұрыңыз: жаңа K — 1/K.
• Әр коэффициентті n-ге көбейтіңіз: жаңа K — Kⁿ. Теңдеуді екіге бөлу квадрат түбір алуға тең.
• Екі теңдеуді қосыңыз: олардың K мәндерін көбейтіңіз. Екі K мәні де бір температураға арналған болуы керек.

Бағытты болжау үшін Q-ды K-мен салыстыру

Реакция бөліндісі, Q, K-мен дәл бірдей түрде жазылады, бірақ тек тепе-теңдіктегі емес, кез келген сәттегі концентрацияларды қолданады. Q-ды K-мен салыстыру реакцияның қай жаққа жүруі керектігін айтады. Егер Q < K болса, өнім тым аз, және реакция тура бағытта жүреді. Егер Q > K болса, өнім тым көп, және реакция кері бағытта жүреді. Егер Q = K болса, жүйе тепе-теңдікте.

Шешілген мысал. OpenStax 13.2-бөлімі CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂(g) + H₂(g) үшін 800 °C кезінде Kc = 0.640 береді. Қоспада [CO] = 0.0500, [H₂O] = 0.0400, [CO₂] = 0.0300 және [H₂] = 0.0600 mol/L бар. Q = (0.0300)(0.0600) / [(0.0500)(0.0400)] = 0.00180/0.00200 = 0.900. Q K-дан үлкен, сондықтан қоспа CO мен H₂O жағына ығысады.

Екінші қоспада CO мен H₂O сол күйінде, бірақ [CO₂] = 0.0200 және [H₂] = 0.0250 mol/L. Енді Q = (0.0200)(0.0250)/(0.00200) = 0.250, бұл 0.640-тан кіші, сондықтан бұл қоспа тура бағытта әрекеттесіп, көбірек CO₂ мен H₂ түзеді.

Шешілген мысал: өлшенген тепе-теңдік қоспасынан K

K-ны табу үшін көбіне бір тепе-тең мөлшерді өлшеу жеткілікті, өйткені теңестірілген теңдеу басқа әр мөлшердің қалай өзгергенін анықтайды. Мұндағы деректер иллюстрациялық. Бір тұрақты температурада 0.500 mol PCl₅ бос 2.00 L колбаға тығыз жабылып, PCl₅(g) ⇌ PCl₃(g) + Cl₂(g) тепе-теңдігіне жетуге қалдырылады. Тепе-теңдікте колбада 0.180 mol Cl₂ болады.

Концентрациялармен жұмыс істеңіз. Бастапқы [PCl₅] 0.500 mol / 2.00 L = 0.250 mol/L, ал тепе-теңдіктегі [Cl₂] 0.180 mol / 2.00 L = 0.0900 mol/L. Түзілген әр моль Cl₂ сондай-ақ бір моль PCl₃ түзеді және бір моль PCl₅ жұмсайды, сондықтан [PCl₃] = 0.0900 mol/L және [PCl₅] = 0.250 − 0.0900 = 0.160 mol/L. Сонда Kc = (0.0900)(0.0900)/0.160 = 0.0506. Бұл температурада PCl₅-тің 36.0 пайызы ыдыраған. ICE кестелері нұсқаулығы бұл есеп жүргізуді тепе-тең мөлшерлерді табу керек есептерге кеңейтеді.

Тепе-теңдік өрнегіндегі қателер

Қысқа тексеру тізімі K-ны жазудағы және қолданудағы қателердің көбін ұстайды.

• Реагенттерді алымға қою. Жазылған теңдеу үшін K әрқашан өнімдердің реагенттерге қатынасы.
• Коэффициенттерді дәреже көрсеткіштері ретінде қоймау немесе оларды көбейткіштер ретінде қолдану.
• Өрнекке таза қатты затты, таза сұйықты немесе еріткіш суды қосу.
• K-да бастапқы концентрацияларды қолдану. K-ға тек тепе-теңдік мәндері кіреді; кез келген басқа жиынтық Q береді.
• K-ның температураға тәуелді екенін ұмыту. Қатысты температурасы көрсетілмеген K мәні мағынасыз.
• Kc-ны Kp-ға түрлендіргенде Δn-ді тек газдар бойынша емес, барлық бөлшектер бойынша санау немесе T-ны Цельсиймен алу.