Reaktionskvotient Beregner - Beregn Q-værdier Gratis

Hvad er en beregner for reaktionskvotienten?

En beregner for reaktionskvotienten finder værdien af Q, et tal, der sammenligner mængden af produkt med mængden af reaktant i en kemisk reaktion på et hvilket som helst tidspunkt. Den fungerer for reaktioner med op til tre reaktanter og tre produkter. Indtast hver stofarts støkiometriske koefficient (dens tal i den afstemte reaktionsligning) og molarkoncentration, så returnerer beregneren Q sammen med formlen og de indsatte værdier.

Hvad er reaktionskvotienten (Q)?

Reaktionskvotienten er forholdet mellem produktkoncentrationerne og reaktantkoncentrationerne, hvor hver koncentration opløftes til en potens svarende til dens koefficient i den afstemte reaktionsligning. Den kan beregnes på et hvilket som helst tidspunkt under en reaktion, ikke kun ved ligevægt. En sammenligning af Q med ligevægtskonstanten K viser, hvilken vej reaktionen bevæger sig.

Formel for reaktionskvotienten

For en generel reaktion

$aA + bB \rightarrow cC + dD$

reaktionskvotienten er

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

Her er [A], [B], [C] og [D] molarkoncentrationer (mol/L), mens a, b, c og d er heltalskoefficienterne fra den afstemte reaktionsligning. Beregneren viser den samme regel i den generelle form Q = (∏[Produkter]^ν) / (∏[Reaktanter]^ν), hvor ∏ betyder »multiplicer alle leddene med hinanden«, og ν står for hver stofarts koefficient. Rene faste stoffer og rene væsker udelades af udtrykket, eftersom deres koncentrationer ikke ændrer sig under reaktionen.

Sådan beregnes reaktionskvotienten

1. Skriv den afstemte kemiske reaktionsligning.
2. Notér koefficienten for hver reaktant og hvert produkt.
3. Find koncentrationen af hver stofart i mol/L på det relevante tidspunkt.
4. Opløft hver koncentration i en potens svarende til dens koefficient.
5. Multiplicer produktleddene med hinanden i tælleren, og multiplicer reaktantleddene med hinanden i nævneren.
6. Divider tælleren med nævneren.

Regneeksempel

Betragt den reaktion, der danner ammoniak:

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

Antag, at koncentrationerne er $[N_2] = 0.5\text{ M}$, $[H_2] = 0.2\text{ M}$ og $[NH_3] = 0.1\text{ M}$.

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

Q er lig med 2,5 på dette tidspunkt i reaktionen.

Q sammenlignet med ligevægtskonstanten (K)

Q og K bruger den samme formel, men K er den værdi, Q antager, når reaktionen ikke længere ændrer sig, altså ved ligevægt og ved en fast temperatur. En sammenligning af de to forudsiger, hvilken vej en reaktion vil forskyde sig:

• Q < K: Reaktionen går fremad og danner mere produkt.
• Q = K: Reaktionen er i ligevægt; koncentrationerne holder op med at ændre sig.
• Q > K: Reaktionen går tilbage og danner mere reaktant.

Nulværdier og udefinerede værdier for Q

Hvis en produktkoncentration er nul, og alle reaktantkoncentrationer er større end nul, er tælleren nul, så Q er lig med 0. Dette er typisk nær begyndelsen af en reaktion, før der er dannet meget produkt.

Hvis en reaktantkoncentration er nul, er nævneren nul, og Q er matematisk udefineret. Beregneren markerer dette tilfælde med en advarsel og viser resultatet som ∞, eftersom forholdet vokser uden grænse, når reaktantkoncentrationen nærmer sig nul.

Hvis en reaktant og et produkt begge er nul, er forholdet 0 divideret med 0, hvilket ikke har én entydig værdi. Beregneren anvender reglen for nul reaktant først, så den viser ∞ og advarslen.

Anvendelser af reaktionskvotienten

Kemikere bruger Q til at forudsige, i hvilken retning en reaktion vil forskyde sig, når koncentrationerne ændrer sig. Det hænger sammen med Le Chateliers princip: Tilførsel af mere reaktant sænker Q til under K, så reaktionen forskydes fremad, indtil Q igen stiger til K. Q indgår også i Nernst-ligningen, $E = E^\circ - \frac{RT}{nF}\ln Q$, som forbinder spændingen i en elektrokemisk celle med koncentrationerne af de involverede stofarter, samt i relationen mellem fri energi og reaktionsforløb, $\Delta G = \Delta G^\circ + RT\ln Q$. Industrielle kemikere overvåger Q for at vurdere, hvor langt en proces er fra ligevægt, og for at justere betingelserne med henblik på et bedre udbytte.

Historie

De norske kemikere Cato Guldberg og Peter Waage fremsatte loven om massevirkning i 1864. Den fastslår, at reaktionshastigheder afhænger af koncentrationerne af de reagerende stoffer. Denne idé førte til ligevægtskonstanten K. J. Willard Gibbs forbandt senere kemisk ligevægt med fri energi i 1870'erne, hvilket gav Q sin plads i termodynamikken: En reaktion forløber i den retning, der sænker systemets frie energi, og Q måler, hvor langt systemet er fra det frie energiminimum, som K repræsenterer.

Sådan bruger du beregneren

1. Vælg antallet af reaktanter (1 til 3) og produkter (1 til 3).
2. Indtast koefficienten fra den afstemte reaktionsligning for hver stofart. Koefficienterne skal være heltal på 1 eller derover.
3. Indtast hver stofarts koncentration i mol/L. Koncentrationerne skal være nul eller et positivt tal.
4. Aflæs værdien af Q samt formlen og de indsatte tal i resultatsektionen.

Ofte stillede spørgsmål

Hvad er forskellen mellem Q og K? De beregnes med den samme formel. Q kan findes på et hvilket som helst tidspunkt i en reaktion; K er værdien af Q, når reaktionen når ligevægt ved en given temperatur.

Kan Q være nul? Ja. Hvis et produkt har en koncentration på nul, mens alle reaktantkoncentrationer er større end nul, er tælleren i Q-udtrykket nul, så Q er nul.

Kan Q være udefineret? Ja. Hvis en reaktant har en koncentration på nul, er nævneren nul, hvilket gør Q udefineret i streng matematisk forstand. Beregneren viser dette tilfælde som ∞ og viser en advarsel.

Påvirker temperaturen Q? Temperaturen indgår ikke direkte i Q-formlen, men den ændrer K, og den kan ændre de koncentrationer, der bruges i Q. Sammenlign Q med en K-værdi, der er målt ved den samme temperatur.

Indgår faste stoffer og væsker i Q-udtrykket? Nej. Rene faste stoffer og rene væsker udelades, fordi deres koncentrationer forbliver konstante under reaktionen. Kun opløste og gasformige stofarter medtages.

Hvorfor opløftes koncentrationerne til en potens? Potensen svarer til hver stofarts koefficient i den afstemte reaktionsligning i overensstemmelse med loven om massevirkning. I reaktionen 2 A → B medfører en fordobling af [A], at reaktantleddet bliver fire gange så stort (2²), hvilket afspejler, at der reagerer to mol A for hvert mol B, der dannes.

Referencer

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