Калкулатор за константа на равновесие (K) - Изчисляване на Kc за химически реакции

Какво представлява равновесната константа?

Реакция, която може да протича в права и обратна посока, се нарича обратима реакция. Тя достига равновесие, когато правата и обратната реакция протичат с еднаква скорост, така че количествата на всяко вещество престават да се променят. Равновесната константа (K) е число, което сравнява количеството на продукта с количеството на реагента в този момент. Този калкулатор намира K въз основа на въведените концентрации и коефициенти.

Формула за равновесната константа

За балансирана реакция:

$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$

изразът за равновесната константа е:

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

Продуктите се записват отгоре, а реагентите — отдолу. Квадратните скоби означават „концентрация в молове на литър (mol/L)“. Всяка концентрация се повдига на степен, равна на коефициента ѝ в балансираното уравнение.

Как се изчислява равновесната константа

1. Запишете балансираното уравнение и отбележете всеки коефициент.
2. Намерете всяка концентрация при равновесие, а не в началото на реакцията.
3. Повдигнете всяка концентрация на степен, равна на нейния коефициент.
4. Умножете членовете за продуктите помежду им, умножете членовете за реагентите помежду им, след което разделете първия резултат на втория.

Пример: образуване на йодоводород

Реакцията H₂ + I₂ ⇌ 2HI достига равновесие в затворен съд. Да предположим, че равновесните концентрации са:

• [H₂] = 0,2 mol/L
• [I₂] = 0,1 mol/L
• [HI] = 0,4 mol/L

$K = \frac{[HI]^2}{[H_2][I_2]} = \frac{(0.4)^2}{0.2 \times 0.1} = \frac{0.16}{0.02} = 8.0$

Тук K е умерено число, така че при равновесие остават измерими количества и от двата реагента, и от продуктите.

Пример: синтез на амоняк (процес на Хабер)

Реакцията N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ образува амоняк за производство на торове. Да предположим, че са измерени следните равновесни концентрации:

• [N₂] = 0,10 mol/L
• [H₂] = 0,20 mol/L
• [NH₃] = 0,30 mol/L

$K = \frac{[NH_3]^2}{[N_2][H_2]^3} = \frac{(0.30)^2}{0.10 \times (0.20)^3} = \frac{0.09}{0.0008} = 112.5$

Коефициентът 3 пред H₂ става показател на степен 3 във формулата. Стойност на K над 100 означава, че при тези условия реакцията благоприятства образуването на продукти.

Какво се включва в израза за равновесната константа

В K се включват само газообразни и разтворени вещества. Чистите твърди вещества и чистите течности се пропускат, защото концентрацията им остава една и съща независимо от наличното количество. За реакцията CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) изразът е просто K = [CO₂]. Двете твърди вещества се пропускат.

Стойността на K се отнася само за температурата, при която е измерена. Промяната на температурата променя и самата K. Налягането и катализаторите променят скоростта, с която реакцията достига равновесие, но нито едното, нито другото променя стойността на K.

Видове равновесни константи

Химиците използват различни означения в зависимост от това какво се измерва.

• Kc: основава се на концентрации в mol/L. Именно това изчислява горният калкулатор.
• Kp: основава се на парциалните налягания на газовете и е свързана с Kc чрез Kp = Kc(RT)^Δn.
• Ka и Kb: описват степента, до която слаба киселина или слаба основа се дисоциира във вода.
• Ksp: описва колко от дадено твърдо вещество се разтваря във вода; нарича се произведение на разтворимостта.

За всяка от тях важи едно и също правило: продуктите се делят на реагентите, като всеки член се повдига на степен, равна на коефициента му.

Използване на калкулатора

Изберете колко реагента и продукта има реакцията — до пет от всеки вид. За всяко вещество въведете концентрацията му в mol/L и коефициента му от балансираното уравнение. Калкулаторът автоматично умножава членовете от двете страни и извършва делението.

Всяка концентрация трябва да е по-голяма от нула, а всеки коефициент трябва да е цяло число, равно на 1 или по-голямо. Въвеждането на нещо друго маркира полето с грешка и не се показва резултат. Резултатите между 0,001 и 1000 се показват с четири знака след десетичната запетая, например 8,0000. Стойност над 1000 или под 0,001 се показва в експоненциален запис, така че 12 340 се изписва като 1.2340e+4.

K се представя като обикновено число без мерна единица. Обикновено химиците сравняват всяка концентрация със стандартна концентрация от 1 mol/L преди извършване на аритметичните операции, при което мерните единици се съкращават.

Честа грешка е да се въведат началните вместо равновесните концентрации. Така се получава реакционното частно Q, а не K. Q използва същата формула като K, но може да се изчисли във всеки момент от реакцията, не само при равновесие. Сравняването на Q с K показва в коя посока трябва да се измести реакцията: ако Q е по-малко от K, реакцията протича към продуктите; ако Q е по-голямо от K, тя протича към реагентите.

Често задавани въпроси

Какво означава голяма или малка стойност на K?

K, много по-голяма от 1, означава, че при равновесие реакцията благоприятства продуктите. K, много по-малка от 1, означава, че тя благоприятства реагентите. K, близка до 1, означава, че двете страни са представени в сходни количества.

Защо твърдите вещества и течностите се пропускат в израза за K?

Защото концентрацията им не се променя. Блок твърдо вещество има една и съща плътност независимо дали е голям или малък, така че включването му само би умножило K по константа, която не се променя.

Променя ли температурата K?

Да. Повишаването на температурата увеличава K при реакции, които поглъщат топлина, и намалява K при реакции, които отделят топлина. Стойността на K е валидна само при температурата, за която е определена.

Променят ли налягането или катализаторът K?

Не. Катализаторът ускорява достигането на равновесие от реакцията, но не променя самото равновесие. Налягането може да промени концентрациите на газовете при равновесие, но K, изчислена от тези нови концентрации, остава същата.

Може ли K да бъде отрицателна?

Не. K се получава от концентрации, които винаги са положителни, повдигнати на положителни цели степени, така че K винаги е положителна. Калкулаторът отхвърля концентрация, равна на нула или по-малка от нула, и вместо число показва грешка.

Каква е разликата между K и Q?

K описва реакцията, след като тя достигне равновесие. Q използва същата формула, но работи с концентрациите във всеки друг момент. Сравняването на Q с K предсказва в коя посока ще се измести реакцията след това.

История

Норвежките химици Като Гулдберг и Петер Вааге предлагат закона за действието на масите през 1864 г. Той води до израза за равновесната константа, използван днес. По-късно нидерландският химик Якобус ван 'т Хоф установява как K зависи от температурата — част от изследванията, за които получава първата Нобелова награда за химия през 1901 г.