Kalkulačka rovnovážné konstanty (K) - Výpočet Kc pro chemické reakce

Co je rovnovážná konstanta?

Reakce, která může probíhat vpřed i zpět, je vratná reakce. Rovnováhy dosáhne tehdy, když přímá a zpětná reakce probíhají stejnou rychlostí, takže se množství jednotlivých látek přestane měnit. Rovnovážná konstanta (K) je číslo, které v tomto okamžiku porovnává množství produktů s množstvím reaktantů. Tato kalkulačka vypočítá K z koncentrací a stechiometrických koeficientů, které zadáte.

Vzorec pro rovnovážnou konstantu

Pro vyčíslenou reakci:

$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$

výraz pro rovnovážnou konstantu je:

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

Produkty se píší do čitatele a reaktanty do jmenovatele. Hranaté závorky znamenají „koncentrace v molech na litr (mol/L)“. Každá koncentrace se umocní na hodnotu svého koeficientu z vyčíslené rovnice.

Jak vypočítat rovnovážnou konstantu

1. Zapište vyčíslenou rovnici a u každé látky uveďte její koeficient.
2. Zjistěte koncentraci každé látky v rovnováze, nikoli na začátku reakce.
3. Umocněte každou koncentraci na hodnotu jejího koeficientu.
4. Vynásobte členy s produkty mezi sebou a členy s reaktanty mezi sebou; potom první výsledek vydělte druhým.

Příklad: vznik jodovodíku

Reakce H₂ + I₂ ⇌ 2HI dosáhne rovnováhy v uzavřené nádobě. Předpokládejme, že rovnovážné koncentrace jsou:

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

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

Hodnota K je zde střední, takže v rovnováze zůstávají měřitelná množství obou reaktantů i produktů.

Příklad: syntéza amoniaku (Haberův proces)

Reakce N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ se používá k výrobě amoniaku pro hnojiva. Předpokládejme, že byly naměřeny tyto rovnovážné koncentrace:

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

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

Koeficient 3 u H₂ se ve vzorci stává exponentem 3. Hodnota K vyšší než 100 znamená, že za těchto podmínek reakce zvýhodňuje produkty.

Co se započítává do výrazu pro rovnovážnou konstantu

Do K se zahrnují pouze plyny a rozpuštěné látky. Čisté pevné látky a čisté kapaliny se vynechávají, protože jejich koncentrace zůstává stejná bez ohledu na jejich množství. Pro reakci CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) je výraz jednoduše K = [CO₂]. Obě pevné látky se vynechají.

Hodnota K platí pouze při teplotě, při které byla změřena. Změna teploty mění samotnou hodnotu K. Tlak a katalyzátory mění rychlost, s jakou reakce dosáhne rovnováhy, ale ani jedno nemění hodnotu K.

Typy rovnovážných konstant

Chemici používají různé značky podle toho, co se měří.

• Kc: vychází z koncentrací v mol/L. To počítá výše uvedená kalkulačka.
• Kp: vychází z parciálních tlaků plynů a s Kc souvisí vztahem Kp = Kc(RT)^Δn.
• Ka a Kb: popisují, do jaké míry se slabá kyselina nebo slabá zásada ve vodě disociuje.
• Ksp: popisuje, jaké množství pevné látky se rozpustí ve vodě; nazývá se součin rozpustnosti.

Každá z nich se řídí stejným pravidlem: produkty se dělí reaktanty a každý člen se umocní na hodnotu svého koeficientu.

Použití kalkulačky

Zvolte počet reaktantů a produktů v reakci, nejvýše pět od každého. U každé látky zadejte její koncentraci v mol/L a koeficient z vyčíslené rovnice. Kalkulačka automaticky vynásobí členy na obou stranách a provede dělení.

Každá koncentrace musí být větší než nula a každý koeficient musí být celé číslo 1 nebo vyšší. Zadání čehokoli jiného označí pole jako chybné a výsledek se nezobrazí. Výsledky od 0,001 do 1000 se zobrazují na čtyři desetinná místa, například 8,0000. Hodnoty nad 1000 nebo pod 0,001 se převedou do vědeckého zápisu, takže 12 340 se zobrazí jako 1.2340e+4.

K se uvádí jako prosté číslo bez jednotky. Chemici před výpočtem obvykle porovnávají každou koncentraci se standardem 1 mol/L, čímž se jednotky vzájemně vyruší.

Častou chybou je zadání počátečních koncentrací místo rovnovážných koncentrací. V takovém případě získáme reakční podíl Q, nikoli K. Q používá stejný vzorec jako K, ale lze jej vypočítat v kterémkoli okamžiku reakce, nejen v rovnováze. Porovnání Q s K ukazuje, kterým směrem se reakce ještě musí posunout: pokud je Q menší než K, reakce směřuje k produktům; pokud je Q větší než K, směřuje k reaktantům.

Často kladené otázky

Co znamená velká nebo malá hodnota K?

Hodnota K mnohem větší než 1 znamená, že rovnováha zvýhodňuje produkty. Hodnota K mnohem menší než 1 znamená, že zvýhodňuje reaktanty. Hodnota K blízká 1 znamená, že obě strany jsou přítomny v podobných množstvích.

Proč se pevné látky a kapaliny do výrazu pro K nezahrnují?

Protože jejich koncentrace se nemění. Kus pevné látky má stejnou hustotu bez ohledu na to, zda je velký, nebo malý, takže jeho zahrnutí by K pouze vynásobilo konstantou, která se nikdy nemění.

Mění teplota hodnotu K?

Ano. Zvýšení teploty zvyšuje K u reakcí, které pohlcují teplo, a snižuje K u reakcí, které teplo uvolňují. Hodnota K platí pouze při teplotě, při které byla určena.

Mění tlak nebo katalyzátor hodnotu K?

Ne. Katalyzátor urychluje, jak rychle reakce dosáhne rovnováhy, ale samotnou rovnováhu neposouvá. Tlak může změnit koncentrace plynů v rovnováze, ale K vypočítané z těchto nových koncentrací zůstává stejné.

Může být K záporné?

Ne. K vychází z koncentrací, které jsou vždy kladné, umocněných na kladné celočíselné exponenty, takže K je vždy kladné. Kalkulačka odmítne koncentraci rovnou nule nebo menší a místo čísla zobrazí chybu.

Jaký je rozdíl mezi K a Q?

K popisuje reakci poté, co dosáhne rovnováhy. Q používá stejný vzorec, ale pracuje s koncentracemi v kterémkoli jiném okamžiku. Porovnání Q s K předpovídá, kterým směrem se reakce následně posune.

Historie

Norští chemici Cato Guldberg a Peter Waage navrhli zákon o působení hmot v 1864. Tento zákon vedl k výrazu pro rovnovážnou konstantu používanému dnes. Nizozemský chemik Jacobus van 't Hoff později objasnil, jak K závisí na teplotě; tento výzkum byl součástí práce, za kterou získal první Nobelovu cenu za chemii v 1901.