Константи на рамнотежа: пишување на K, читање на Q и претворање на Kc во Kp

Динамичка рамнотежа: правата и обратната реакција со еднакви брзини

Кај повратна реакција, производите можат да реагираат и повторно да ги образуваат реактантите. Додека правата реакција ги троши реактантите, таа се забавува, а додека се натрупуваат производите, обратната реакција се забрзува. Рамнотежата се постигнува кога двете брзини се еднакви. Оттогаш натаму концентрациите остануваат постојани иако двете реакции продолжуваат. Затоа хемичарите ја нарекуваат динамичка рамнотежа и ја пишуваат со двојна стрелка, ⇌.

Истиот рамнотежен состав може да се постигне од која било страна. Затворена колба што почнува со чист NO₂ и колба со ист волумен што почнува со еквивалентно количество чист N₂O₄ завршуваат со иста смеса кога се држат на иста температура. Рамнотежа се постигнува само во затворен систем; ако производот излегува, како CO₂ од отворен сад, реакцијата никогаш не се смирува.

Составување на изразот за K од изедначена равенка

За општа реакција aA + bB ⇌ cC + dD, законот за дејство на масите ја дава константата на рамнотежа преку моларните концентрации: Kc = [C]ᶜ[D]ᵈ / ([A]ᵃ[B]ᵇ). Производите одат горе, реактантите долу, а секоја концентрација се подига на степен еднаков на нејзиниот коефициент. За разлика од законот на брзина, овој израз доаѓа директно од изедначената равенка.

Чистите цврсти супстанции и чистите течности се изоставуваат, бидејќи нивната ефективна концентрација не се менува додека реакцијата напредува. Водата исто така се изоставува кога е растворувач во разреден воден раствор. На пример, распаѓањето CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) има Kc = [CO₂]. На дадена температура, рамнотежниот притисок на CO₂ над цврстите супстанции е определен, без оглед на количествата на двете цврсти супстанции.

Строго земено, константата на рамнотежа се гради од активности, кои немаат единици, па K се наведува без единици. Користењето концентрации во mol/L или притисоци во atm или bar е вообичаеното приближување во општата хемија.

Читање на големината на K

Големо K значи дека во рамнотежа преовладуваат производите; мало K значи дека преовладуваат реактантите. Како груба ориентација, K поголемо од околу 10³ значи дека реакцијата е блиску до завршување, K помало од околу 10⁻³ значи дека се формира малку производ, а вредностите меѓу нив даваат смеса со значителни количества од двете.

Делот 13.4 во OpenStax дава Kc = 4.1 × 10⁻⁴ за N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO(g) на 2000 °C. Дури и на таа температура, воздухот во рамнотежа содржи само малку NO. На собна температура константата е уште многу помала, и затоа азотот и кислородот коегзистираат во атмосферата.

K не кажува ништо за брзината. Реакција со огромно K сепак може да биде премногу бавна за да се набљудува. Кинетиката, а не константата на рамнотежа, одлучува колку брзо се постигнува рамнотежата.

Решен пример: Kc и Kp за азот диоксид и диазот тетроксид

За реакции во кои учествуваат гасови, константата на рамнотежа може да се напише и со парцијални притисоци, што дава Kp. Двете се поврзани со Kp = Kc(RT)^Δn, што значи Kc помножено со RT на степен Δn, каде Δn е бројот на молови гасовити производи минус бројот на молови гасовити реактанти, R = 0.08206 L atm mol⁻¹ K⁻¹ кога притисоците се во atm, а T е во келвини. Кога Δn = 0, Kp е еднакво на Kc.

Делот 13.2 во OpenStax опишува 0.10 mol NO₂ ставени во колба од 1.0 L на 25 °C, кои доаѓаат до рамнотежа со [NO₂] = 0.016 mol/L и [N₂O₄] = 0.042 mol/L. Како проверка, 0.016 + 2(0.042) = 0.100 mol/L, па целиот азот е опфатен. За N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g), Kc = [NO₂]²/[N₂O₄] = (0.016)² / 0.042 = 6.1 × 10⁻³, со две значајни цифри.

Тука Δn = 2 − 1 = 1, а RT = 0.08206 × 298.15 = 24.47. Значи Kp = (6.1 × 10⁻³)(24.47) = 0.15, со притисоци во atm. Вредноста е поголема од Kc бидејќи Δn е позитивно, а RT е поголемо од 1.

Промената на равенката го менува K

Бидејќи K се гради од изедначената равенка, секоја промена на равенката го менува K на предвидлив начин. Овие правила се рамнотежниот пандан на правилата за манипулирање со ΔH во Хесовиот закон, со множење наместо собирање.

Решен пример. Почнете од N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO(g), Kc = 4.1 × 10⁻⁴ на 2000 °C. Обратувањето дава 2 NO(g) ⇌ N₂(g) + O₂(g) со Kc = 1/(4.1 × 10⁻⁴) = 2.4 × 10³. Преполовувањето на правата равенка дава ½ N₂(g) + ½ O₂(g) ⇌ NO(g) со Kc = √(4.1 × 10⁻⁴) = 2.0 × 10⁻². Со двете промени, NO(g) ⇌ ½ N₂(g) + ½ O₂(g) има Kc = 1/√(4.1 × 10⁻⁴) = 49.

• Обрнете ја равенката: новото K е 1/K.
• Помножете го секој коефициент со n: новото K е Kⁿ. Преполовувањето на равенката зема квадратен корен.
• Соберете две равенки: помножете ги нивните вредности на K. Двете вредности на K мора да се за иста температура.

Споредување на Q со K за предвидување на насоката

Реакциониот количник, Q, има точно иста форма како K, но ги користи концентрациите присутни во кој било момент, а не само во рамнотежа. Споредувањето на Q со K ви кажува во која насока мора да оди реакцијата. Ако Q < K, има премалку производ, и реакцијата оди напред. Ако Q > K, има премногу производ, и реакцијата оди наназад. Ако Q = K, системот е во рамнотежа.

Решен пример. Делот 13.2 во OpenStax дава Kc = 0.640 на 800 °C за CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂(g) + H₂(g). Една смеса содржи [CO] = 0.0500, [H₂O] = 0.0400, [CO₂] = 0.0300 и [H₂] = 0.0600 mol/L. Q = (0.0300)(0.0600) / [(0.0500)(0.0400)] = 0.00180/0.00200 = 0.900. Q е поголемо од K, па смесата се поместува кон CO и H₂O.

Втората смеса ги има истите CO и H₂O, но [CO₂] = 0.0200 и [H₂] = 0.0250 mol/L. Сега Q = (0.0200)(0.0250)/(0.00200) = 0.250, што е помало од 0.640, па оваа смеса реагира напред и создава повеќе CO₂ и H₂.

Решен пример: K од измерена рамнотежна смеса

Мерењето на едно рамнотежно количество често е доволно за наоѓање на K, бидејќи изедначената равенка определува како се променило секое друго количество. Податоците тука се илустративни. На една фиксна температура, 0.500 mol PCl₅ се затвораат во празна колба од 2.00 L и се оставаат да постигнат PCl₅(g) ⇌ PCl₃(g) + Cl₂(g). Во рамнотежа колбата содржи 0.180 mol Cl₂.

Работете со концентрации. Почетната [PCl₅] е 0.500 mol / 2.00 L = 0.250 mol/L, а рамнотежната [Cl₂] е 0.180 mol / 2.00 L = 0.0900 mol/L. Секој формиран мол Cl₂ формира и еден мол PCl₃ и троши еден мол PCl₅, па [PCl₃] = 0.0900 mol/L и [PCl₅] = 0.250 − 0.0900 = 0.160 mol/L. Тогаш Kc = (0.0900)(0.0900)/0.160 = 0.0506. На оваа температура, се распаднале 36.0 проценти од PCl₅. Водичот за ICE-табели ја проширува оваа евиденција на задачи во кои мора да ги пресметате рамнотежните количества.

Грешки во изразот за рамнотежа

Краток список за проверка фаќа повеќето грешки при пишувањето и користењето на K.

• Ставање на реактантите горе. K е секогаш производи врз реактанти за равенката онака како што е напишана.
• Изоставување на коефициентите како степени или нивно користење како множители.
• Вклучување на чиста цврста супстанција, чиста течност или вода како растворувач во изразот.
• Користење почетни концентрации во K. Во K припаѓаат само рамнотежните вредности; секоја друга група дава Q.
• Заборавање дека K зависи од температурата. Вредноста на K нема значење без температурата за која важи.
• Претворање на Kc во Kp со Δn изброено за сите честички наместо само за гасовите, или со T во Целзиусови степени.