Калкулатор за реакционен коефициент - Изчисляване на Q стойности безплатно

Какво представлява калкулаторът за реакционно частно?

Калкулаторът за реакционен частен намира стойността на Q — число, което сравнява количеството на продукта с количеството на реагента в химична реакция във всеки момент. Той работи за реакции с до три реагента и три продукта. Въведете стехиометричния коефициент на всеки вид (числото му в балансираното уравнение) и моларната му концентрация, а калкулаторът ще изведе Q заедно с формулата и заместените стойности.

Какво представлява реакционното частно (Q)?

Реакционният частен е отношението на концентрациите на продуктите към концентрациите на реагентите, като всяка концентрация е повдигната на степен, равна на нейния коефициент в балансираното уравнение. Той може да се изчисли във всеки момент от реакцията, не само при равновесие. Сравняването на Q с равновесната константа K показва в каква посока протича реакцията.

Формула за реакционното частно

За обща реакция

$aA + bB \rightarrow cC + dD$

реакционният частен е

$Q = \frac{[C]^c [D]^d}{[A]^a [B]^b}$

Тук [A], [B], [C] и [D] са моларни концентрации (mol/L), а a, b, c и d са целочислените коефициенти от балансираното уравнение. Калкулаторът изписва същото правило в общ вид като Q = (∏[Продукти]^ν) / (∏[Реагенти]^ν), където ∏ означава „умножение на всички членове един по друг“, а ν обозначава коефициента на всеки вид. Чистите твърди вещества и чистите течности се пропускат в израза, тъй като концентрациите им не се променят по време на реакцията.

Как се изчислява реакционният частен

1. Запишете балансираното химично уравнение.
2. Отбележете коефициента на всеки реагент и продукт.
3. Намерете концентрацията на всеки вид в mol/L в интересуващия ви момент.
4. Повдигнете всяка концентрация на степен, равна на нейния коефициент.
5. Умножете членовете за продуктите, за да получите числителя, и членовете за реагентите, за да получите знаменателя.
6. Разделете числителя на знаменателя.

Пример с решение

Нека разгледаме реакцията, при която се образува амоняк:

$N_2(g) + 3H_2(g) \rightarrow 2NH_3(g)$

Да предположим, че концентрациите са $[N_2] = 0.5\text{ M}$, $[H_2] = 0.2\text{ M}$ и $[NH_3] = 0.1\text{ M}$.

$Q = \frac{[NH_3]^2}{[N_2]^1[H_2]^3} = \frac{(0.1)^2}{(0.5)(0.2)^3} = \frac{0.01}{0.004} = 2.5$

В този момент от реакцията Q е равно на 2,5.

Q спрямо равновесната константа (K)

Q и K използват една и съща формула, но K е стойността, която Q приема, след като реакцията престане да се променя — при равновесие и постоянна температура. Сравняването на двете величини предсказва в каква посока ще се измести реакцията:

• Q < K: реакцията протича напред и се образува повече продукт.
• Q = K: реакцията е в равновесие; концентрациите престават да се променят.
• Q > K: реакцията протича в обратна посока и се образува повече реагент.

Нулеви и неопределени стойности на Q

Ако концентрацията на даден продукт е нула, а концентрацията на всеки реагент е по-голяма от нула, числителят е нула и Q е равно на 0. Това е типично в началото на реакцията, преди да се е образувало значително количество продукт.

Ако концентрацията на който и да е реагент е нула, знаменателят е нула и Q е математически неопределено. Калкулаторът обозначава този случай с предупреждение и показва резултата като ∞, тъй като отношението нараства неограничено, когато концентрацията на реагента се доближава до нула.

Ако концентрациите на реагент и продукт са едновременно нула, отношението е 0, разделено на 0, което няма единствена стойност. Калкулаторът първо прилага правилото за нулева концентрация на реагента, затова показва ∞ и предупреждението.

Приложения на реакционния частен

Химиците използват Q, за да предскажат в каква посока ще се измести реакцията при промяна на концентрациите — идея, свързана с принципа на льо Шателие: добавянето на повече реагент понижава Q под K, така че реакцията се измества напред, докато Q отново достигне K. Q се появява и в уравнението на Нернст, $E = E^\circ - \frac{RT}{nF}\ln Q$, което свързва напрежението на електрохимична клетка с концентрациите на участващите видове, както и във връзката между свободната енергия и хода на реакцията, $\Delta G = \Delta G^\circ + RT\ln Q$. Химиците в промишлеността проследяват Q, за да преценят доколко даден процес е отдалечен от равновесие и да коригират условията за по-добър добив.

История

Норвежките химици Като Гулдберг и Петер Вааге предлагат закона за действащите маси през 1864 г., като посочват, че скоростите на реакциите зависят от концентрациите на реагиращите вещества. Тази идея води до равновесната константа K. По-късно Дж. Уилард Гибс свързва химичното равновесие със свободната енергия през 1870-те години, с което определя мястото на Q в термодинамиката: реакцията протича в посоката, която понижава свободната енергия на системата, а Q измерва доколко системата е отдалечена от минимума на свободната енергия, представен от K.

Как се използва калкулаторът

1. Изберете броя на реагентите (от 1 до 3) и продуктите (от 1 до 3).
2. За всеки вид въведете коефициента му от балансираното уравнение. Коефициентите трябва да са цели числа, равни на 1 или по-големи.
3. Въведете концентрацията на всеки вид в mol/L. Концентрациите трябва да са нула или положително число.
4. В раздела с резултатите вижте стойността на Q заедно с формулата и заместените числа.

Често задавани въпроси

Каква е разликата между Q и K? Те се изчисляват с една и съща формула. Q може да се намери във всеки момент от реакцията, а K е стойността на Q, след като реакцията достигне равновесие при дадена температура.

Може ли Q да бъде нула? Да. Ако концентрацията на даден продукт е нула, а концентрацията на всеки реагент е по-голяма от нула, числителят на израза за Q е нула, така че Q е нула.

Може ли Q да бъде неопределено? Да. Ако концентрацията на който и да е реагент е нула, знаменателят е нула, което прави Q неопределено в строгия математически смисъл. Калкулаторът показва този случай като ∞ и извежда предупреждение.

Влияе ли температурата върху Q? Температурата не участва пряко във формулата за Q, но променя K и може да промени концентрациите, използвани в Q. Сравнявайте Q със стойност на K, измерена при същата температура.

Появяват ли се твърдите вещества и течностите в израза за Q? Не. Чистите твърди вещества и чистите течности се пропускат, тъй като концентрациите им остават постоянни по време на реакцията. Включват се само разтворените и газообразните видове.

Защо концентрациите се повдигат на степен? Степента съответства на стехиометричния коефициент на всеки вид в балансираното уравнение съгласно закона за действащите маси. В реакцията 2 А → B удвояването на [A] увеличава члена за реагента четири пъти (2²), което отразява, че за всеки образуван мол B реагират два мола A.

Източници

1. Atkins, P. W., & de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (10-о изд.). Oxford University Press.
2. Чанг, R., и Голдсби, K. A. (2015). Химия (12-о изд.). McGraw-Hill Education.
3. Petrucci, R. H., Herring, F. G., Madura, J. D. и Bissonnette, C. (2016). General Chemistry: Principles and Modern Applications (11-о изд.). Pearson.
4. Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P. M. и Stoltzfus, M. W. (2017). Chemistry: The Central Science (14-о изд.). Pearson.