Kp калкулатор - Изчисляване на равновесни константи за газови реакции

Какво представлява Kp?

Kp е константата на равновесие за химична реакция, протичаща между газове, изразена чрез парциалните налягания. Калкулаторът за Kp приема парциалните налягания и коефициентите от изравнено уравнение и връща тази стойност. Kp над 1 означава, че при равновесие реакцията благоприятства продуктите. Kp под 1 означава, че благоприятства реагентите.

Химиците използват Kp вместо концентрационната константа Kc, когато налягането е естественият начин да се измери количеството наличен газ, например в промишлени реактори или в атмосферата.

Формула за Kp

За обща реакция

$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$

константата на равновесие е

$K_p = \frac{(P_C)^c \times (P_D)^d}{(P_A)^a \times (P_B)^b}$

Всяко парциално налягане ($P$) се повдига на степен, равна на стехиометричния му коефициент (числото пред съответното вещество в изравненото уравнение). Продуктите се поставят в числителя, а реагентите — в знаменателя.

Прилагат се няколко правила:

• Наляганията трябва да са по-големи от нула. Този калкулатор обозначава полето за налягане в атмосфери (atm). Може да се използва и друга единица, стига за всяко вещество в едно изчисление да се използва една и съща единица.
• Коефициентите трябва да са по-големи от нула. Обикновено те са цели числа, но е допустима и дроб. Уравнението за образуване H₂(g) + ½O₂(g) ⇌ H₂O(g) използва ½, а калкулаторът приема 0,5 на това място.
• Чистите твърди вещества и течности не се включват в израза, тъй като активността им е фиксирана на 1. За CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) се включва само налягането на CO₂, така че $K_p = P_{CO_2}$.
• Kp е валидна само при една температура. Промяната на температурата променя Kp, а промяната на общото налягане — не.
• Единицата на Kp зависи от Δn, броя молове газ, получени минус броя молове газ, изразходвани в реакцията. Kp има единици за налягане, повдигнати на степен Δn. Когато Δn е 0, единиците се съкращават и Kp е безразмерно число. Химиците обикновено представят Kp като безразмерно число, като първо разделят всяко налягане на стандартно налягане от 1 бар.

Kp е свързана с Kc, концентрационната константа на равновесие, чрез

$K_p = K_c \times (RT)^{\Delta n}$

където $R = 0.0821$ L·atm/(mol·K), $T$ е температурата в келвини, а $\Delta n$ е броят молове газообразни продукти минус броя молове газообразни реагенти. Когато $\Delta n = 0$, Kp и Kc са числено равни.

Как да изчислите Kp с този инструмент

1. Въведете реагентите. За всеки от тях въведете химичната му формула (по желание, за справка), стехиометричния му коефициент от изравненото уравнение и парциалното му налягане при равновесие. Добавете още редове с „Добавяне на реагент“, ако уравнението има повече от един реагент.
2. Въведете продуктите по същия начин, като за допълнителни редове използвате „Добавяне на продукт“.
3. Прочетете резултата. Калкулаторът повдига всяко налягане на степен, равна на коефициента му, умножава съответните членове за продуктите, умножава съответните членове за реагентите и извършва делението. Стойността на Kp се обновява веднага щом всяко поле съдържа число. Няма отделен бутон за изчисляване. „Нулиране“ връща формуляра към един реагент и един продукт.

Ако дадено поле остане празно, инструментът изисква стойности, вместо да отгатва. Ако коефициент или налягане е нула или отрицателно, той показва предупреждение, а не число.

Много малките резултати (под 0,001) или много големите (над 10 000) се показват в научен запис, например 2.5000e-6. Останалите резултати се показват като обикновени десетични числа.

Пример с решение: синтез на амоняк

Процесът на Хабер произвежда амоняк от азот и водород:

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

Нека парциалните налягания при равновесие в реакционен съд са:

• $P_{N_2} = 0.5$ atm (коефициент 1)
• $P_{H_2} = 0.2$ atm (коефициент 3)
• $P_{NH_3} = 0.8$ atm (коефициент 2)

$K_p = \frac{(P_{NH_3})^2}{(P_{N_2})^1 \times (P_{H_2})^3} = \frac{(0.8)^2}{(0.5) \times (0.2)^3} = \frac{0.64}{0.004} = 160$

Kp от 160 означава, че равновесната смес съдържа много повече амоняк, отколкото азот и водород.

Втори пример: реакция на водно-газовата конверсия

$CO(g) + H_2O(g) \rightleftharpoons CO_2(g) + H_2(g)$

При $P_{CO} = 0.1$ atm, $P_{H_2O} = 0.2$ atm, $P_{CO_2} = 0.4$ atm и $P_{H_2} = 0.3$ atm, когато всички коефициенти са равни на 1:

$K_p = \frac{0.4 \times 0.3}{0.1 \times 0.2} = \frac{0.12}{0.02} = 6$

Защо Kp е важна

Сравняването на Kp с реакционното частно Q (изчислено от налягания, които все още не са при равновесие) предсказва в коя посока ще се измести реакцията. Ако Q е по-малко от Kp, реакцията образува повече продукт. Ако Q е по-голямо от Kp, тя образува повече реагент.

Промишлените процеси разчитат на това. Процесът на Хабер–Бош за амоняк и контактният процес за сярна киселина се провеждат при температури и налягания, избрани чрез данни за Kp, като се постига баланс между добива и скоростта на реакцията. Kp се използва и за моделиране на атмосферни равновесия, например за това как серният диоксид се превръща в серен триоксид при образуването на киселинни дъждове.

Често задавани въпроси

Каква е разликата между Kp и Kc? Kp използва парциални налягания, а Kc — моларни концентрации. Те описват едно и също газофазно равновесие и са свързани чрез $K_p = K_c(RT)^{\Delta n}$.

Променя ли промяната на общото налягане Kp? Не. Kp зависи само от температурата. Промяната на налягането измества положението на равновесието — отделните парциални налягания се променят, — но стойността на Kp остава същата при постоянна температура.

Може ли Kp да бъде отрицателна или нула? Не. Kp е отношение на положителни налягания, повдигнати на положителни степени, затова винаги е положителна. Реакция, която протича едва забележимо, има Kp, близка до нула, но никога равна на нея.

Защо твърдите вещества и течностите не се появяват в израза за Kp? Чистото твърдо вещество или течност има фиксиран състав, който не се променя по време на реакцията, затова активността му е дефинирана като 1 и математически отпада от отношението.

Какво означава Kp = 1? Членът за продуктите и членът за реагентите в израза са равни. Това не означава, че отделните налягания са равни, тъй като коефициентите влияят на изчислението.

Кога трябва да се отчита реалното (неидеалното) поведение на газовете? Под около 10 atm повечето газове се държат достатъчно близо до идеалните за стандартни изчисления на Kp. Над тази стойност обикновено вместо измереното налягане се използва фугитивността — ефективно налягане, коригирано за междумолекулните сили.

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. IUPAC (2014). Compendium of Chemical Terminology („Gold Book“).