Ligevægtskonstant Beregner (K) - Beregn Kc for Kemiske Reaktioner

Hvad er en ligevægtskonstant?

En reaktion, der kan løbe både fremad og tilbage, er en reversibel reaktion. Den når ligevægt, når den fremadrettede og den modsatrettede reaktion forløber med samme hastighed, så mængderne af hvert stof holder op med at ændre sig. Ligevægtskonstanten (K) er et tal, der sammenligner mængden af produkt med mængden af reaktant på det tidspunkt. Denne beregner finder K ud fra de indtastede koncentrationer og koefficienter.

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, reaktanterne i nævneren. Ved en given temperatur er dette forhold konstant ved ligevægt, en regel kendt som massevirkningsloven. De kantede parenteser betyder "koncentration i mol pr. liter (mol/L)". Hver koncentration opløftes i en potens svarende til dens koefficient fra den afstemte ligning.

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. De målte koncentrationer 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 ligger tæt på 1, så både reaktanter og produkter er til stede i målbare mængder 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, den er målt ved. Ændres temperaturen, ændres K selv. En ændring af trykket kan forskyde mængderne af gasser ved ligevægt, men den ændrer ikke K. En katalysator øger hastigheden af den fremadrettede og den modsatrettede reaktion lige meget, så ligevægten nås hurtigere uden ændring af K.

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 gassernes partialtryk, forbundet med Kc ved Kp = Kc(RT)^Δn, hvor Δn er antal mol produktgas minus antal mol reaktantgas.
• 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, op til fem af hver. Indtast for hvert stof dets koncentration i mol/L og dets koefficient fra den afstemte ligning. Beregneren ganger begge sider ud og dividerer automatisk. Resultater over 1000 eller under 0,001 vises i videnskabelig notation, for eksempel 1.2340e+4 i stedet for 12340.

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 stammer fra koncentrationer, som altid er positive, opløftet i positive hele potenser. Beregneren accepterer kun koncentrationer over nul og hele koefficienter på 1 eller derover. Ombyttes reaktanter og produkter, fås 1/K, som stadig er positivt.

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, som bruges i dag. Den hollandske kemiker Jacobus van 't Hoff udarbejdede senere, hvordan K afhænger af temperaturen, som en del af den forskning, der indbragte ham den første Nobelpris i kemi i 1901.

Referencer

1. OpenStax, Rice University. Chemistry 2e, afsnit 13.2 "Equilibrium Constants". Chemistry 2e: Equilibrium Constants — massevirkningsloven, kun gasformige og opløste stoffer i K samt Kp = Kc(RT)^Δn.
2. OpenStax, Rice University. Chemistry 2e, afsnit 13.3 "Shifting Equilibria: Le Châtelier's Principle". Chemistry 2e: Le Châtelier's Principle — en katalysator ændrer ikke ligevægtskonstanten.
3. Nobel Prize Outreach. The Nobel Prize in Chemistry 1901. Nobelprisen i kemi 1901 — tildelt Jacobus Henricus van 't Hoff for lovene om kemisk dynamik og osmotisk tryk.