Ligevægtskonstant Beregner (K) - Beregn Kc for Kemiske Reaktioner

Hvad er en ligevægtskonstant?

En reaktion, der kan forløbe både fremad og baglæns, er en reversibel reaktion. Den når ligevægt, når den fremadgående og den omvendte reaktion foregår med samme hastighed, så mængden af hvert stof holder op med at ændre sig. Ligevægtskonstanten (K) er et tal, der sammenligner mængden af produkt med mængden af reaktant på dette tidspunkt. Denne beregner finder K ud fra de koncentrationer og koefficienter, du indtaster.

Formel for ligevægtskonstanten

For en afstemt reaktion:

$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$

er udtrykket for ligevægtskonstanten:

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

Produkterne står i tælleren, og reaktanterne står i nævneren. De kantede parenteser betyder »koncentration i mol pr. liter (mol/L)«. Hver koncentration opløftes i en potens svarende til dens koefficient i den afstemte reaktionsligning.

Sådan beregnes ligevægtskonstanten

1. Skriv den afstemte reaktionsligning, og notér hver koefficient.
2. Find hver koncentration ved ligevægt, ikke ved reaktionens begyndelse.
3. Opløft hver koncentration i en potens svarende til dens koefficient.
4. Gang produktleddene med hinanden, gang reaktantleddene med hinanden, og divider derefter det første resultat med det andet.

Eksempel: Dannelse af hydrogeniodid

Reaktionen H₂ + I₂ ⇌ 2HI når ligevægt i en lukket beholder. Antag, at ligevægtskoncentrationerne er:

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

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

K er her et moderat tal, så målbare mængder af både reaktanter og produkter er tilbage ved ligevægt.

Eksempel: Syntese af ammoniak (Haber-processen)

Reaktionen N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ danner ammoniak til gødning. Antag, at disse ligevægtskoncentrationer måles:

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

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

Koefficienten 3 for H₂ bliver eksponenten 3 i formlen. En K-værdi over 100 betyder, at reaktionen under disse betingelser favoriserer produkterne.

Hvad indgår i ligevægtsudtrykket?

Kun gasser og opløste stoffer indgår i K. Rene faste stoffer og rene væsker udelades, fordi deres koncentration forbliver den samme, uanset hvor meget der er til stede. For reaktionen CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) er udtrykket blot K = [CO₂]. De to faste stoffer udelades.

En K-værdi gælder kun ved den temperatur, hvor den blev målt. En ændring af temperaturen ændrer selve K. Tryk og katalysatorer ændrer, hvor hurtigt en reaktion når ligevægt, men ingen af dem ændrer K-værdien.

Typer af ligevægtskonstanter

Kemikere bruger forskellige betegnelser afhængigt af, hvad der måles.

• Kc: baseret på koncentrationer i mol/L. Det er denne værdi, beregneren ovenfor beregner.
• Kp: baseret på gassers partialtryk og relateret til Kc ved Kp = Kc(RT)^Δn.
• Ka og Kb: beskriver, hvor langt en svag syre eller en svag base spaltes i vand.
• Ksp: beskriver, hvor meget af et fast stof der opløses i vand; kaldes opløselighedsproduktet.

Alle følger den samme regel: produkter over reaktanter, hver opløftet i en potens svarende til dens koefficient.

Brug af beregneren

Vælg, hvor mange reaktanter og produkter reaktionen har, højst fem af hver. For hvert stof indtastes dets koncentration i mol/L og dets koefficient fra den afstemte reaktionsligning. Beregneren ganger automatisk leddene på begge sider sammen og dividerer dem.

Hver koncentration skal være større end nul, og hver koefficient skal være et helt tal på 1 eller derover. Hvis der indtastes noget andet, markeres feltet med en fejl, og der vises ikke noget resultat. Resultater mellem 0,001 og 1000 vises med fire decimaler, f.eks. 8,0000. Alt over 1000 eller under 0,001 skifter til videnskabelig notation, så 12.340 vises som 1.2340e+4.

K angives som et almindeligt tal uden enhed. Kemikere sammenligner normalt hver koncentration med en standard på 1 mol/L før beregningen, hvilket får enhederne til at gå ud.

En almindelig fejl er at indtaste startkoncentrationer i stedet for ligevægtskoncentrationer. Det giver reaktionsbrøken Q i stedet for K. Q bruger samme formel som K, men kan beregnes på et hvilket som helst tidspunkt i reaktionen, ikke kun ved ligevægt. Ved at sammenligne Q med K kan man se, hvilken vej reaktionen stadig skal forskydes: Hvis Q er mindre end K, bevæger reaktionen sig mod produkterne; hvis Q er større end K, bevæger den sig mod reaktanterne.

Ofte stillede spørgsmål

Hvad betyder en stor eller lille K-værdi?

En K-værdi, der er meget større end 1, betyder, at reaktionen ved ligevægt favoriserer produkterne. En K-værdi, der er meget mindre end 1, betyder, at den favoriserer reaktanterne. En K-værdi tæt på 1 betyder, at begge sider er til stede i omtrent samme mængder.

Hvorfor udelades faste stoffer og væsker fra K-udtrykket?

Fordi deres koncentration ikke ændrer sig. En blok af et fast stof har samme densitet, uanset om den er stor eller lille, så hvis den blev medtaget, ville den blot gange K med en konstant, der aldrig ændrer sig.

Ændrer temperaturen K?

Ja. En temperaturstigning øger K for reaktioner, der optager varme, og mindsker K for reaktioner, der afgiver varme. En K-værdi er kun gyldig ved den temperatur, den blev bestemt ved.

Ændrer tryk eller en katalysator K?

Nej. En katalysator får en reaktion til at nå ligevægt hurtigere, men forskyder ikke selve ligevægten. Tryk kan ændre gassernes koncentrationer ved ligevægt, men K beregnet ud fra de nye koncentrationer forbliver den samme.

Kan K være negativ?

Nej. K beregnes ud fra koncentrationer, som altid er positive, opløftet i positive heltalspotensers, så K er altid positiv. Beregneren afviser en koncentration på nul eller derunder og viser i stedet en fejl.

Hvad er forskellen mellem K og Q?

K beskriver en reaktion, når den har nået ligevægt. Q bruger samme formel, men gælder for koncentrationer på et hvilket som helst andet tidspunkt. Ved at sammenligne Q med K kan man forudsige, i hvilken retning reaktionen derefter vil forskydes.

Historie

De norske kemikere Cato Guldberg og Peter Waage fremsatte massevirkningsloven i 1864. Den førte til det udtryk for ligevægtskonstanten, der bruges i dag. Den nederlandske kemiker Jacobus van 't Hoff klarlagde senere, hvordan K afhænger af temperaturen, som en del af den forskning, der indbragte ham den første Nobelpris i kemi i 1901.