Pemalar Keseimbangan: Menulis K, Membaca Q dan Menukar Kc kepada Kp

Keseimbangan dinamik: ke depan dan songsang pada kadar yang sama

Dalam tindak balas berbalik, hasil boleh bertindak balas untuk membentuk semula bahan tindak balas. Semasa tindak balas ke depan menggunakan bahan tindak balas, ia menjadi perlahan, dan semasa hasil terkumpul, tindak balas songsang menjadi lebih pantas. Keseimbangan dicapai apabila kedua-dua kadar adalah sama. Sejak itu, kepekatan kekal malar walaupun kedua-dua tindak balas berterusan. Itulah sebabnya ahli kimia menyebutnya keseimbangan dinamik dan menulisnya dengan anak panah berganda, ⇌.

Komposisi keseimbangan yang sama boleh dicapai dari mana-mana arah. Kelalang tertutup yang bermula dengan NO₂ tulen dan kelalang yang sama isi padunya yang bermula dengan kuantiti setara N₂O₄ tulen berakhir dengan campuran yang sama apabila disimpan pada suhu yang sama. Keseimbangan hanya dicapai dalam sistem tertutup; jika satu hasil terlepas, seperti CO₂ daripada bekas terbuka, tindak balas tidak akan mencapai keadaan mantap.

Membina ungkapan K daripada persamaan yang seimbang

Bagi tindak balas am aA + bB ⇌ cC + dD, hukum tindakan jisim memberikan pemalar keseimbangan dari segi kepekatan molar: Kc = [C]ᶜ[D]ᵈ / ([A]ᵃ[B]ᵇ). Hasil diletakkan di atas, bahan tindak balas di bawah, dan setiap kepekatan dinaikkan kepada kuasa pekalinya. Tidak seperti hukum kadar, ungkapan ini diperoleh terus daripada persamaan yang seimbang.

Pepejal tulen dan cecair tulen ditinggalkan, kerana kepekatan berkesannya tidak berubah semasa tindak balas berlangsung. Air juga ditinggalkan apabila ia menjadi pelarut dalam larutan akueus yang cair. Contohnya, penguraian CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) mempunyai Kc = [CO₂]. Pada suhu tertentu, tekanan keseimbangan CO₂ di atas pepejal adalah tetap, tanpa mengira kuantiti kedua-dua pepejal itu.

Secara ketat, pemalar keseimbangan dibina daripada aktiviti, yang tidak mempunyai unit, jadi K dilaporkan tanpa unit. Menggunakan kepekatan dalam mol/L atau tekanan dalam atm atau bar ialah penghampiran biasa dalam kimia am.

Membaca magnitud K

K yang besar bermakna pada keseimbangan hasil mendominasi; K yang kecil bermakna bahan tindak balas mendominasi. Sebagai panduan kasar, K lebih besar daripada kira-kira 10³ bermakna tindak balas hampir lengkap, K lebih kecil daripada kira-kira 10⁻³ bermakna sedikit hasil terbentuk, dan nilai di antaranya memberikan campuran dengan kuantiti kedua-duanya yang ketara.

Bahagian 13.4 OpenStax memberikan Kc = 4.1 × 10⁻⁴ bagi N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO(g) pada 2000 °C. Walaupun pada suhu itu, udara hanya mengandungi sedikit NO pada keseimbangan. Pada suhu bilik, pemalar itu jauh lebih kecil lagi, itulah sebabnya nitrogen dan oksigen wujud bersama dalam atmosfera.

K tidak menyatakan apa-apa tentang kelajuan. Tindak balas dengan K yang sangat besar masih boleh terlalu perlahan untuk diperhatikan. Kinetik, bukan pemalar keseimbangan, yang menentukan seberapa cepat keseimbangan dicapai.

Contoh penyelesaian: Kc dan Kp bagi nitrogen dioksida dan dinitrogen tetroksida

Bagi tindak balas yang melibatkan gas, pemalar keseimbangan juga boleh ditulis dengan tekanan separa, memberikan Kp. Kedua-duanya dikaitkan oleh Kp = Kc(RT)^Δn, yang bermaksud Kc didarab dengan RT yang dinaikkan kepada kuasa Δn, dengan Δn ialah mol hasil gas tolak mol bahan tindak balas gas, R = 0.08206 L atm mol⁻¹ K⁻¹ apabila tekanan dalam atm, dan T dalam kelvin. Apabila Δn = 0, Kp sama dengan Kc.

Bahagian 13.2 OpenStax menerangkan 0.10 mol NO₂ yang dimasukkan ke dalam kelalang 1.0 L pada 25 °C, yang mencapai keseimbangan dengan [NO₂] = 0.016 mol/L dan [N₂O₄] = 0.042 mol/L. Sebagai semakan, 0.016 + 2(0.042) = 0.100 mol/L, jadi semua nitrogen diambil kira. Bagi N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g), Kc = [NO₂]²/[N₂O₄] = (0.016)² / 0.042 = 6.1 × 10⁻³, kepada dua angka bererti.

Di sini Δn = 2 − 1 = 1, dan RT = 0.08206 × 298.15 = 24.47. Jadi Kp = (6.1 × 10⁻³)(24.47) = 0.15, dengan tekanan dalam atm. Nilai ini lebih besar daripada Kc kerana Δn positif dan RT lebih besar daripada 1.

Mengubah persamaan mengubah K

Oleh sebab K dibina daripada persamaan yang seimbang, sebarang perubahan pada persamaan mengubah K dengan cara yang boleh diramalkan. Peraturan ini ialah padanan keseimbangan bagi peraturan memanipulasi ΔH dalam hukum Hess, dengan pendaraban menggantikan penambahan.

Contoh penyelesaian. Mulakan daripada N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO(g), Kc = 4.1 × 10⁻⁴ pada 2000 °C. Membalikkannya memberikan 2 NO(g) ⇌ N₂(g) + O₂(g) dengan Kc = 1/(4.1 × 10⁻⁴) = 2.4 × 10³. Menyeparuhkan persamaan ke depan memberikan ½ N₂(g) + ½ O₂(g) ⇌ NO(g) dengan Kc = √(4.1 × 10⁻⁴) = 2.0 × 10⁻². Melakukan kedua-duanya, NO(g) ⇌ ½ N₂(g) + ½ O₂(g) mempunyai Kc = 1/√(4.1 × 10⁻⁴) = 49.

• Balikkan persamaan: K yang baharu ialah 1/K.
• Darabkan setiap pekali dengan n: K yang baharu ialah Kⁿ. Menyeparuhkan persamaan bermakna mengambil punca kuasa dua.
• Tambahkan dua persamaan: darabkan nilai K kedua-duanya. Kedua-dua nilai K mestilah bagi suhu yang sama.

Membandingkan Q dengan K untuk meramalkan arah

Hasil bahagi tindak balas, Q, mempunyai bentuk yang sama seperti K tetapi menggunakan kepekatan yang hadir pada sebarang ketika, bukan hanya pada keseimbangan. Membandingkan Q dengan K memberitahu anda arah yang mesti diambil oleh tindak balas. Jika Q < K, hasil terlalu sedikit, dan tindak balas berlangsung ke depan. Jika Q > K, hasil terlalu banyak, dan tindak balas berlangsung secara songsang. Jika Q = K, sistem berada dalam keseimbangan.

Contoh penyelesaian. Bahagian 13.2 OpenStax memberikan Kc = 0.640 pada 800 °C bagi CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂(g) + H₂(g). Satu campuran mengandungi [CO] = 0.0500, [H₂O] = 0.0400, [CO₂] = 0.0300 dan [H₂] = 0.0600 mol/L. Q = (0.0300)(0.0600) / [(0.0500)(0.0400)] = 0.00180/0.00200 = 0.900. Q lebih besar daripada K, jadi campuran itu beralih ke arah CO dan H₂O.

Campuran kedua mempunyai CO dan H₂O yang sama tetapi [CO₂] = 0.0200 dan [H₂] = 0.0250 mol/L. Kini Q = (0.0200)(0.0250)/(0.00200) = 0.250, yang kurang daripada 0.640, jadi campuran ini bertindak balas ke depan dan menghasilkan lebih banyak CO₂ dan H₂.

Contoh penyelesaian: K daripada campuran keseimbangan yang diukur

Mengukur satu kuantiti keseimbangan selalunya memadai untuk mencari K, kerana persamaan yang seimbang menetapkan bagaimana setiap kuantiti lain berubah. Data di sini ialah ilustrasi. Pada satu suhu tetap, 0.500 mol PCl₅ dimeterai dalam kelalang kosong 2.00 L dan dibiarkan mencapai PCl₅(g) ⇌ PCl₃(g) + Cl₂(g). Pada keseimbangan, kelalang itu mengandungi 0.180 mol Cl₂.

Bekerja dalam kepekatan. [PCl₅] permulaan ialah 0.500 mol / 2.00 L = 0.250 mol/L, dan [Cl₂] keseimbangan ialah 0.180 mol / 2.00 L = 0.0900 mol/L. Setiap mol Cl₂ yang terbentuk juga membentuk satu mol PCl₃ dan menggunakan satu mol PCl₅, jadi [PCl₃] = 0.0900 mol/L dan [PCl₅] = 0.250 − 0.0900 = 0.160 mol/L. Maka Kc = (0.0900)(0.0900)/0.160 = 0.0506. Pada suhu ini, 36.0 peratus PCl₅ terurai. Panduan jadual ICE meluaskan perakaunan ini kepada masalah yang memerlukan anda menyelesaikan kuantiti keseimbangan.

Kesilapan ungkapan keseimbangan

Senarai semak ringkas dapat menangkap kebanyakan kesilapan dalam menulis dan menggunakan K.

• Meletakkan bahan tindak balas di atas. K sentiasa hasil per bahan tindak balas bagi persamaan seperti yang ditulis.
• Tidak memasukkan pekali sebagai eksponen, atau menggunakannya sebagai pendarab.
• Memasukkan pepejal tulen, cecair tulen atau air pelarut dalam ungkapan itu.
• Menggunakan kepekatan awal dalam K. Hanya nilai keseimbangan yang dimasukkan dalam K; sebarang set lain memberikan Q.
• Terlupa bahawa K bergantung pada suhu. Nilai K tidak bermakna tanpa suhu yang berkaitan dengannya.
• Menukar Kc kepada Kp dengan Δn dikira bagi semua spesies dan bukannya gas sahaja, atau dengan T dalam Celsius.