Тэнцвэрийн тогтмол: K бичих, Q унших ба Kc-г Kp болгох

Динамик тэнцвэр: шууд ба урвуу урвал тэнцүү хурдтай

Буцах урвалд бүтээгдэхүүн урвалд орж урвалжийг дахин үүсгэж чадна. Шууд урвал урвалжийг зарцуулах тусам удааширч, бүтээгдэхүүн хуримтлагдах тусам урвуу урвал хурдасна. Хоёр хурд тэнцэх үед тэнцвэрт хүрнэ. Түүнээс хойш хоёр урвал үргэлжилсээр байгаа ч концентрациуд тогтмол хэвээр байна. Иймээс химичид үүнийг динамик тэнцвэр гэж нэрлэж, давхар сумаар ⇌ бичдэг.

Ижил тэнцвэрийн найрлагад аль ч талаас хүрч болно. Цэвэр NO₂-оор эхэлсэн битүүмжилсэн колба ба эквивалент хэмжээний цэвэр N₂O₄-оор эхэлсэн ижил эзлэхүүнтэй колба ижил температурт байлгахад ижил хольцонд хүрнэ. Тэнцвэрт зөвхөн хаалттай системд хүрнэ; задгай савнаас CO₂ гардаг шиг бүтээгдэхүүн гарч одвол урвал хэзээ ч тогтворждоггүй.

Тэнцүүлсэн тэгшитгэлээс K-ийн илэрхийлэл байгуулах

Ерөнхий урвал aA + bB ⇌ cC + dD-ийн хувьд масс үйлчлэлийн хууль тэнцвэрийн тогтмолыг моляр концентрациар өгдөг: Kc = [C]ᶜ[D]ᵈ / ([A]ᵃ[B]ᵇ). Бүтээгдэхүүн дээд талд, урвалж доод талд байрлах бөгөөд концентраци бүрийг коэффициентийнх нь зэрэгт дэвшүүлнэ. Хурдны хуулиас ялгаатай нь энэ илэрхийлэл тэнцүүлсэн тэгшитгэлээс шууд гарна.

Цэвэр хатуу бодис ба цэвэр шингэнийг оруулахгүй, учир нь урвал явагдах явцад тэдгээрийн үйлчлэх концентраци өөрчлөгддөггүй. Шингэн усан уусмалд уусгагч болж буй усыг мөн оруулахгүй. Жишээ нь CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) задрал Kc = [CO₂]-тэй. Өгөгдсөн температурт хоёр хатуу бодисын хэмжээнээс үл хамааран тэдгээрийн дээрх CO₂-ийн тэнцвэрийн даралт тогтмол.

Хатуухан хэлбэл тэнцвэрийн тогтмолыг нэгжгүй идэвхжилээс байгуулдаг тул K-г нэгжгүй тайлагнадаг. mol/L-ээр концентраци эсвэл atm эсвэл bar-аар даралт ашиглах нь ерөнхий химийн ердийн ойролцоолол.

K-ийн хэмжээг унших

Их K нь тэнцвэрт бүтээгдэхүүн давамгайлна гэсэн үг; бага K нь урвалж давамгайлна гэсэн үг. Ойролцоогоор хэлбэл, ойролцоогоор 10³-аас их K урвал бараг бүрэн явагдана гэсэн үг, ойролцоогоор 10⁻³-аас бага K бага бүтээгдэхүүн үүснэ гэсэн үг, харин тэдгээрийн хоорондох утгууд хоёулангийнх нь мэдэгдэхүйц хэмжээтэй хольц өгнө.

OpenStax-ийн 13.4-р хэсэг 2000 °C-д N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO(g)-д Kc = 4.1 × 10⁻⁴ гэж өгдөг. Тэр температурт ч агаар тэнцвэрт бага зэрэг NO агуулна. Өрөөний температурт тогтмол үүнээс ч хавьгүй бага бөгөөд иймээс агаар мандалд азот ба хүчилтөрөгч зэрэгцэн оршдог.

K хурдны талаар юу ч хэлдэггүй. Асар их K-тай урвал ажиглахад хэт удаан байж болно. Тэнцвэрт хэр хурдан хүрэхийг тэнцвэрийн тогтмол биш, кинетик шийддэг.

Бодит жишээ: азотын давхар исэл ба диазотын тетраоксидын Kc ба Kp

Хий оролцсон урвалын хувьд тэнцвэрийн тогтмолыг хэсэгчилсэн даралтаар бичиж Kp гаргаж болно. Хоёр нь Kp = Kc(RT)^Δn-ээр холбогдоно, өөрөөр хэлбэл Kc-г RT-ийн Δn зэргээр үржүүлнэ, энд Δn нь хийн бүтээгдэхүүний моль хасах хийн урвалжийн моль, даралт atm-ээр байхад R = 0.08206 L atm mol⁻¹ K⁻¹, T кельвинээр. Δn = 0 үед Kp нь Kc-тэй тэнцүү.

OpenStax-ийн 13.2-р хэсэг 25 °C-д 1.0 L колбонд хийсэн 0.10 mol NO₂ [NO₂] = 0.016 mol/L ба [N₂O₄] = 0.042 mol/L-тэйгээр тэнцвэрт хүрдгийг дүрсэлдэг. Шалгалт болгон 0.016 + 2(0.042) = 0.100 mol/L тул бүх азот тооцогдсон. N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g)-ийн хувьд Kc = [NO₂]²/[N₂O₄] = (0.016)² / 0.042 = 6.1 × 10⁻³, ач холбогдолтой хоёр цифрээр.

Энд Δn = 2 − 1 = 1, RT = 0.08206 × 298.15 = 24.47. Иймээс даралт atm-ээр Kp = (6.1 × 10⁻³)(24.47) = 0.15. Δn эерэг, RT 1-ээс их тул утга Kc-ээс их.

Тэгшитгэлийг өөрчлөх нь K-г өөрчилнө

K тэнцүүлсэн тэгшитгэлээс байгуулагддаг тул тэгшитгэлийн аливаа өөрчлөлт K-г урьдчилан таамаглахуйц байдлаар өөрчилнө. Эдгээр дүрэм нь Гессийн хуульд ΔH-г хувиргах дүрмүүдийн тэнцвэрийн хувилбар бөгөөд нэмэхийн оронд үржүүлнэ.

Бодит жишээ. 2000 °C-д Kc = 4.1 × 10⁻⁴ бүхий N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO(g)-ээс эхэл. Үүнийг эргүүлбэл 2 NO(g) ⇌ N₂(g) + O₂(g), Kc = 1/(4.1 × 10⁻⁴) = 2.4 × 10³. Шууд тэгшитгэлийг хоёр хуваавал ½ N₂(g) + ½ O₂(g) ⇌ NO(g), Kc = √(4.1 × 10⁻⁴) = 2.0 × 10⁻². Хоёуланг нь хийвэл NO(g) ⇌ ½ N₂(g) + ½ O₂(g) нь Kc = 1/√(4.1 × 10⁻⁴) = 49.

• Тэгшитгэлийг эргүүл: шинэ K нь 1/K.
• Коэффициент бүрийг n-ээр үржүүл: шинэ K нь Kⁿ. Тэгшитгэлийг хоёр хуваах нь квадрат язгуур авна.
• Хоёр тэгшитгэлийг нэм: тэдгээрийн K утгуудыг үржүүл. Хоёр K утга хоёулаа ижил температурынх байх ёстой.

Чиглэлийг таамаглахын тулд Q-г K-тай харьцуулах

Урвалын харьцаа Q нь K-тай яг ижил хэлбэртэй боловч зөвхөн тэнцвэрт биш, аль ч агшинд байгаа концентрацийг ашигладаг. Q-г K-тай харьцуулах нь урвал аль тийш явах ёстойг хэлнэ. Q < K бол бүтээгдэхүүн хэт цөөн тул урвал шууд чиглэлд явагдана. Q > K бол бүтээгдэхүүн хэт их тул урвал урвуу чиглэлд явагдана. Q = K бол систем тэнцвэрт байна.

Бодит жишээ. OpenStax-ийн 13.2-р хэсэг 800 °C-д CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂(g) + H₂(g)-д Kc = 0.640 гэж өгдөг. Хольц [CO] = 0.0500, [H₂O] = 0.0400, [CO₂] = 0.0300 ба [H₂] = 0.0600 mol/L агуулна. Q = (0.0300)(0.0600) / [(0.0500)(0.0400)] = 0.00180/0.00200 = 0.900. Q нь K-ээс их тул хольц CO ба H₂O тийш шилжинэ.

Хоёр дахь хольц ижил CO ба H₂O-той боловч [CO₂] = 0.0200 ба [H₂] = 0.0250 mol/L. Одоо Q = (0.0200)(0.0250)/(0.00200) = 0.250 бөгөөд 0.640-өөс бага тул энэ хольц шууд чиглэлд урвалд орж илүү CO₂ ба H₂ үүсгэнэ.

Бодит жишээ: хэмжсэн тэнцвэрийн хольцоос K

Тэнцүүлсэн тэгшитгэл бусад хэмжээ хэрхэн өөрчлөгдсөнийг тогтоодог тул K-г олоход ихэвчлэн тэнцвэрийн нэг хэмжээг хэмжихэд хангалттай. Энд байгаа өгөгдөл жишээ. Нэг тогтмол температурт 0.500 mol PCl₅-ийг хоосон 2.00 L колбонд битүүмжилж, PCl₅(g) ⇌ PCl₃(g) + Cl₂(g)-д хүрэхийг зөвшөөрнө. Тэнцвэрт колба 0.180 mol Cl₂ агуулна.

Концентрациар ажилла. Анхны [PCl₅] нь 0.500 mol / 2.00 L = 0.250 mol/L, тэнцвэрийн [Cl₂] нь 0.180 mol / 2.00 L = 0.0900 mol/L. Үүссэн Cl₂-ийн моль бүр мөн нэг моль PCl₃ үүсгэж, нэг моль PCl₅ зарцуулдаг тул [PCl₃] = 0.0900 mol/L ба [PCl₅] = 0.250 − 0.0900 = 0.160 mol/L. Тэгвэл Kc = (0.0900)(0.0900)/0.160 = 0.0506. Энэ температурт PCl₅-ийн 36.0 хувь задарсан. ICE хүснэгтийн гарын авлага энэ бүртгэлийг тэнцвэрийн хэмжээг бодож олох шаардлагатай бодлогуудад өргөжүүлнэ.

Тэнцвэрийн илэрхийллийн алдаанууд

Богино хяналтын жагсаалт K-г бичих, ашиглахад гардаг ихэнх алдааг барина.

• Урвалжийг дээд талд тавих. Бичигдсэн тэгшитгэлийн хувьд K үргэлж бүтээгдэхүүнийг урвалжид хуваасан утга.
• Коэффициентийг зэрэг илтгэгч болгохгүй орхих, эсвэл оронд нь үржигдэхүүн болгон ашиглах.
• Цэвэр хатуу бодис, цэвэр шингэн эсвэл уусгагч усыг илэрхийлэлд оруулах.
• K-д анхны концентраци ашиглах. K-д зөвхөн тэнцвэрийн утгууд орно; бусад аливаа олонлог Q өгнө.
• K температураас хамаардгийг мартах. Хамаарах температургүй K утга утгагүй.
• Kc-г Kp болгон хөрвүүлэхдээ Δn-ийг зөвхөн хий биш бүх бодисоор тоолох, эсвэл T-г Цельсээр авах.