Konstanti za Usawa: Kuandika K, Kusoma Q na Kubadilisha Kc kuwa Kp

Usawa tendaji: athari ya mbele na ya kinyume kwa kasi sawa

Katika athari inayorudika, bidhaa zinaweza kuitikia na kuunda viitikio tena. Athari ya mbele inapotumia viitikio hupungua kasi, na bidhaa zinapojilimbikiza athari ya kinyume huongezeka kasi. Usawa hufikiwa kasi hizo mbili zinapokuwa sawa. Kuanzia hapo, mikusanyiko hubaki bila kubadilika ingawa athari zote mbili zinaendelea. Ndiyo sababu wanakemia huuita usawa tendaji na huuandika kwa mshale maradufu, ⇌.

Muundo ule ule wa usawa unaweza kufikiwa kutoka upande wowote. Chupa iliyofungwa inayoanza na NO₂ safi na nyingine ya ujazo ule ule inayoanza na kiasi kinacholingana cha N₂O₄ safi huishia katika mchanganyiko ule ule zikiwekwa katika joto lile lile. Usawa hufikiwa tu katika mfumo uliofungwa; kama bidhaa inatoroka, kama CO₂ inavyotoroka kutoka kwenye chombo kilicho wazi, athari haitulii kamwe.

Kujenga usemi wa K kutoka kwa mlinganyo uliosawazishwa

Kwa athari ya jumla aA + bB ⇌ cC + dD, sheria ya utendaji wa wingi inatoa konstanti ya usawa kwa kutumia mikusanyiko ya molari: Kc = [C]ᶜ[D]ᵈ / ([A]ᵃ[B]ᵇ). Bidhaa huwekwa juu, viitikio chini, na kila mkusanyiko huinuliwa kwa kipeo cha kigawo chake. Tofauti na sheria ya kasi, usemi huu hutoka moja kwa moja kwa mlinganyo uliosawazishwa.

Vigumu safi na vimiminika safi huachwa nje, kwa sababu mkusanyiko wao wa kiutendaji haubadiliki athari inapoendelea. Maji pia huachwa nje yanapokuwa kiyeyusho katika myeyusho mwepesi wa maji. Kwa mfano, mtengano CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) una Kc = [CO₂]. Katika joto fulani, shinikizo la usawa la CO₂ juu ya vigumu hivyo haliwezi kubadilika, bila kujali kiasi cha vigumu hivyo viwili.

Kwa usahihi kamili, konstanti ya usawa hujengwa kutoka kwa shughuli, ambazo hazina vizio, kwa hivyo K huripotiwa bila vizio. Kutumia mikusanyiko kwa mol/L au shinikizo kwa atm au bar ndiyo makadirio ya kawaida katika kemia ya jumla.

Kusoma ukubwa wa K

K kubwa inamaanisha kwamba katika usawa bidhaa ndizo zinazotawala; K ndogo inamaanisha viitikio ndivyo vinavyotawala. Kama mwongozo wa makadirio, K kubwa kuliko takriban 10³ inamaanisha athari iko karibu kukamilika, K ndogo kuliko takriban 10⁻³ inamaanisha bidhaa kidogo huundwa, na thamani zilizo katikati hutoa mchanganyiko wenye kiasi kikubwa cha vyote viwili.

OpenStax sehemu 13.4 inatoa Kc = 4.1 × 10⁻⁴ kwa N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO(g) katika 2000 °C. Hata katika joto hilo, hewa ina NO kidogo tu katika usawa. Katika joto la kawaida la chumba konstanti ni ndogo zaidi sana, ndiyo sababu naitrojeni na oksijeni hukaa pamoja katika angahewa.

K haisemi chochote kuhusu kasi. Athari yenye K kubwa mno bado inaweza kuwa ya polepole mno kuweza kuonekana. Kinetiki, si konstanti ya usawa, ndiyo huamua jinsi usawa unavyofikiwa haraka.

Mfano uliotatuliwa: Kc na Kp kwa dioksidi ya naitrojeni na tetroksidi ya dinaitrojeni

Kwa athari zinazohusisha gesi, konstanti ya usawa inaweza pia kuandikwa kwa shinikizo sehemu, ikitoa Kp. Hizo mbili zinahusiana kwa Kp = Kc(RT)^Δn, yaani Kc ikizidishwa kwa RT iliyoinuliwa kwa kipeo Δn, ambapo Δn ni mole za bidhaa za gesi ukitoa mole za viitikio vya gesi, R = 0.08206 L atm mol⁻¹ K⁻¹ shinikizo likiwa kwa atm, na T iko kwa kelvini. Wakati Δn = 0, Kp ni sawa na Kc.

OpenStax sehemu 13.2 inaeleza 0.10 mol ya NO₂ iliyowekwa katika chupa ya 1.0 L katika 25 °C, inayofikia usawa ikiwa na [NO₂] = 0.016 mol/L na [N₂O₄] = 0.042 mol/L. Kama ukaguzi, 0.016 + 2(0.042) = 0.100 mol/L, kwa hivyo naitrojeni yote imehesabiwa. Kwa N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g), Kc = [NO₂]²/[N₂O₄] = (0.016)² / 0.042 = 6.1 × 10⁻³, kwa tarakimu mbili muhimu.

Hapa Δn = 2 − 1 = 1, na RT = 0.08206 × 298.15 = 24.47. Kwa hivyo Kp = (6.1 × 10⁻³)(24.47) = 0.15, shinikizo likiwa kwa atm. Thamani ni kubwa kuliko Kc kwa sababu Δn ni chanya na RT ni kubwa kuliko 1.

Kubadilisha mlinganyo hubadilisha K

Kwa kuwa K hujengwa kutoka kwa mlinganyo uliosawazishwa, badiliko lolote la mlinganyo hubadilisha K kwa njia inayotabirika. Kanuni hizi ni sawia ya usawa ya kanuni za kushughulikia ΔH katika sheria ya Hess, huku kuzidisha kukichukua nafasi ya kujumlisha.

Mfano uliotatuliwa. Anza na N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO(g), Kc = 4.1 × 10⁻⁴ katika 2000 °C. Kuugeuza kunatoa 2 NO(g) ⇌ N₂(g) + O₂(g) yenye Kc = 1/(4.1 × 10⁻⁴) = 2.4 × 10³. Kupunguza mlinganyo wa mbele kwa nusu kunatoa ½ N₂(g) + ½ O₂(g) ⇌ NO(g) yenye Kc = √(4.1 × 10⁻⁴) = 2.0 × 10⁻². Ukifanya yote mawili, NO(g) ⇌ ½ N₂(g) + ½ O₂(g) ina Kc = 1/√(4.1 × 10⁻⁴) = 49.

• Geuza mlinganyo: K mpya ni 1/K.
• Zidisha kila kigawo kwa n: K mpya ni Kⁿ. Kupunguza mlinganyo kwa nusu huchukua kipeuo cha pili.
• Jumlisha milinganyo miwili: zidisha thamani zao za K. Thamani zote mbili za K lazima ziwe za joto lile lile.

Kulinganisha Q na K kutabiri mwelekeo

Uwiano wa athari, Q, una umbo sawa kabisa na K lakini hutumia mikusanyiko iliyopo katika wakati wowote, si katika usawa pekee. Kulinganisha Q na K kunakuambia athari lazima iende upande gani. Kama Q < K, kuna bidhaa kidogo mno, na athari huendelea mbele. Kama Q > K, kuna bidhaa nyingi mno, na athari huendelea kinyume. Kama Q = K, mfumo uko katika usawa.

Mfano uliotatuliwa. OpenStax sehemu 13.2 inatoa Kc = 0.640 katika 800 °C kwa CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂(g) + H₂(g). Mchanganyiko una [CO] = 0.0500, [H₂O] = 0.0400, [CO₂] = 0.0300 na [H₂] = 0.0600 mol/L. Q = (0.0300)(0.0600) / [(0.0500)(0.0400)] = 0.00180/0.00200 = 0.900. Q ni kubwa kuliko K, kwa hivyo mchanganyiko huhamia upande wa CO na H₂O.

Mchanganyiko wa pili una CO na H₂O zile zile lakini [CO₂] = 0.0200 na [H₂] = 0.0250 mol/L. Sasa Q = (0.0200)(0.0250)/(0.00200) = 0.250, ambayo ni ndogo kuliko 0.640, kwa hivyo mchanganyiko huu huitikia kwenda mbele na kutengeneza CO₂ na H₂ zaidi.

Mfano uliotatuliwa: K kutoka kwa mchanganyiko wa usawa uliopimwa

Kupima kiasi kimoja cha usawa mara nyingi kunatosha kupata K, kwa sababu mlinganyo uliosawazishwa huamua jinsi kila kiasi kingine kilivyobadilika. Data hapa ni za kielelezo. Katika joto moja lisilobadilika, 0.500 mol ya PCl₅ hufungwa katika chupa tupu ya 2.00 L na kuachwa ifikie PCl₅(g) ⇌ PCl₃(g) + Cl₂(g). Katika usawa chupa ina 0.180 mol ya Cl₂.

Fanya kazi kwa mikusanyiko. [PCl₅] ya mwanzo ni 0.500 mol / 2.00 L = 0.250 mol/L, na [Cl₂] ya usawa ni 0.180 mol / 2.00 L = 0.0900 mol/L. Kila mole ya Cl₂ inayoundwa pia huunda mole moja ya PCl₃ na hutumia mole moja ya PCl₅, kwa hivyo [PCl₃] = 0.0900 mol/L na [PCl₅] = 0.250 − 0.0900 = 0.160 mol/L. Kisha Kc = (0.0900)(0.0900)/0.160 = 0.0506. Katika joto hili, asilimia 36.0 ya PCl₅ ilitengana. Mwongozo wa majedwali ya ICE unapanua uwekaji hesabu huu kwa matatizo ambapo lazima utatue viasi vya usawa.

Makosa ya semi za usawa

Orodha fupi ya ukaguzi hugundua makosa mengi katika kuandika na kutumia K.

• Kuweka viitikio juu. K daima ni bidhaa juu ya viitikio kwa mlinganyo kama ulivyoandikwa.
• Kuacha vigawo kama vipeo, au kuvitumia kama vizidishi badala yake.
• Kujumuisha kigumu safi, kimiminika safi au maji ya kiyeyusho katika usemi.
• Kutumia mikusanyiko ya mwanzo katika K. Thamani za usawa pekee ndizo zinazostahili kuwa katika K; seti nyingine yoyote inatoa Q.
• Kusahau kwamba K hutegemea joto. Thamani ya K haina maana bila joto linalohusika.
• Kubadilisha Kc kuwa Kp huku Δn ikihesabiwa kwa spishi zote badala ya gesi pekee, au huku T ikiwa kwa Selsiasi.