Calculadora del Quocient de Reacció - Calcula Valors Q Gratuïtament

Què és una calculadora del quocient de reacció?

Una calculadora del quocient de reacció troba el valor de Q, un nombre que compara la quantitat de producte amb la quantitat de reactiu en una reacció química en qualsevol moment. Funciona amb reaccions de fins a tres reactius i tres productes. Introduïu el coeficient estequiomètric de cada espècie (el seu nombre en l’equació ajustada) i la concentració molar, i la calculadora retorna Q juntament amb la fórmula i els valors substituïts.

Què és el quocient de reacció (Q)?

El quocient de reacció és la proporció entre les concentracions dels productes i les concentracions dels reactius, amb cada concentració elevada a la potència del seu coeficient en l’equació ajustada. Es pot calcular en qualsevol punt de la reacció, no només a l’equilibri. Comparar Q amb la constant d’equilibri K mostra en quina direcció avança la reacció.

Fórmula del quocient de reacció

Per a una reacció general

$aA + bB \rightarrow cC + dD$

el quocient de reacció és

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

Aquí [A], [B], [C] i [D] són concentracions molars (mol/L), i a, b, c i d són els coeficients enters de l’equació ajustada. La calculadora mostra la mateixa regla en forma general com Q = (∏[Productes]^ν) / (∏[Reactius]^ν), on ∏ vol dir «multiplicar tots els termes entre si» i ν representa el coeficient de cada espècie. Els sòlids purs i els líquids purs s’exclouen de l’expressió, ja que les seves concentracions no canvien durant la reacció.

Com es calcula el quocient de reacció

1. Escriviu l’equació química ajustada.
2. Anoteu el coeficient de cada reactiu i producte.
3. Trobeu la concentració de cada espècie, en mol/L, en el moment que us interessa.
4. Eleveu cada concentració a la potència del seu coeficient.
5. Multipliqueu entre si els termes dels productes per obtenir el numerador, i multipliqueu entre si els termes dels reactius per obtenir el denominador.
6. Dividiu el numerador pel denominador.

Exemple resolt

Preneu la reacció en què es forma amoníac:

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

Suposem que les concentracions són $[N_2] = 0.5\text{ M}$, $[H_2] = 0.2\text{ M}$ i $[NH_3] = 0.1\text{ M}$.

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

En aquest moment de la reacció, Q és igual a 2,5.

Q en comparació amb la constant d’equilibri (K)

Q i K fan servir la mateixa fórmula, però K és el valor que pren Q quan la reacció deixa de canviar, a l’equilibri, a una temperatura fixa. Comparar-los permet predir en quina direcció es desplaçarà la reacció:

• Q < K: la reacció avança, produint més producte.
• Q = K: la reacció es troba en equilibri; les concentracions deixen de canviar.
• Q > K: la reacció es produeix en sentit invers, formant més reactiu.

Valors zero i no definits de Q

Si la concentració d’un producte és zero i totes les concentracions dels reactius són superiors a zero, el numerador és zero i, per tant, Q és igual a 0. Això és habitual a prop de l’inici d’una reacció, abans que s’hagi format gaire producte.

Si la concentració de qualsevol reactiu és zero, el denominador és zero i Q no està definit matemàticament. La calculadora indica aquest cas amb un avís i mostra el resultat com a ∞, ja que la proporció creix sense límit quan la concentració del reactiu s’aproxima a zero.

Si un reactiu i un producte són tots dos zero, la proporció és 0 dividit per 0, cosa que no té un únic valor. La calculadora aplica primer la regla del reactiu amb concentració zero, de manera que mostra ∞ i l’avís.

Usos del quocient de reacció

Els químics utilitzen Q per predir en quina direcció es desplaçarà una reacció quan canviïn les concentracions, una idea relacionada amb el principi de Le Chatelier: afegir més reactiu redueix Q per sota de K, de manera que la reacció avança fins que Q torna a pujar fins a K. Q també apareix en l’equació de Nernst, $E = E^\circ - \frac{RT}{nF}\ln Q$, que relaciona el voltatge d’una cel·la electroquímica amb les concentracions de les espècies implicades, i en la relació entre l’energia lliure i l’avanç de la reacció, $\Delta G = \Delta G^\circ + RT\ln Q$. Els químics industrials controlen Q per determinar fins a quin punt un procés es troba lluny de l’equilibri i ajustar les condicions per obtenir un rendiment millor.

Història

Els químics noruecs Cato Guldberg i Peter Waage van proposar la llei d’acció de masses l’any 1864, segons la qual les velocitats de reacció depenen de les concentracions de les substàncies que reaccionen. Aquesta idea va conduir a la constant d’equilibri K. Més tard, J. Willard Gibbs va relacionar l’equilibri químic amb l’energia lliure durant la dècada de 1870, fet que va situar Q en el camp de la termodinàmica: una reacció avança en la direcció que redueix l’energia lliure del sistema, i Q mesura fins a quin punt el sistema es troba lluny del mínim d’energia lliure representat per K.

Com s’utilitza la calculadora

1. Trieu el nombre de reactius (de 1 a 3) i de productes (de 1 a 3).
2. Per a cada espècie, introduïu el seu coeficient de l’equació ajustada. Els coeficients han de ser nombres enters iguals o superiors a 1.
3. Introduïu la concentració de cada espècie en mol/L. Les concentracions han de ser zero o un nombre positiu.
4. Llegiu el valor de Q, juntament amb la fórmula i els nombres substituïts, a la secció de resultats.

Preguntes més freqüents

Quina diferència hi ha entre Q i K? Es calculen amb la mateixa fórmula. Q es pot trobar en qualsevol punt d’una reacció; K és el valor de Q quan la reacció arriba a l’equilibri a una temperatura determinada.

Q pot ser zero? Sí. Si un producte té una concentració de zero mentre que totes les concentracions dels reactius són superiors a zero, el numerador de l’expressió de Q és zero i, per tant, Q és zero.

Q pot no estar definit? Sí. Si qualsevol reactiu té una concentració de zero, el denominador és zero, cosa que fa que Q no estigui definit en termes matemàtics estrictes. La calculadora mostra aquest cas com a ∞ i emet un avís.

La temperatura afecta Q? La temperatura no entra directament en la fórmula de Q, però modifica K i pot canviar les concentracions utilitzades en Q. Compareu Q amb un valor de K mesurat a la mateixa temperatura.

Els sòlids i els líquids apareixen en l’expressió de Q? No. Els sòlids purs i els líquids purs se n’exclouen, perquè les seves concentracions es mantenen constants durant la reacció. Només s’hi inclouen les espècies dissoltes i gasoses.

Per què les concentracions s’eleven a una potència? La potència coincideix amb el coeficient de cada espècie en l’equació ajustada, d’acord amb la llei d’acció de masses. En la reacció 2 A → B, duplicar [A] multiplica per quatre el terme del reactiu (2²), cosa que reflecteix que reaccionen dos mols d’A per cada mol de B format.

Referències

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