Υπολογιστής Σταθεράς Ισορροπίας (K) - Υπολογισμός Kc για Χημικές Αντιδράσεις

Τι είναι η σταθερά ισορροπίας;

Μια αντίδραση που μπορεί να προχωρήσει προς τα εμπρός και προς τα πίσω είναι αμφίδρομη αντίδραση. Φτάνει σε ισορροπία όταν η προς τα εμπρός και η αντίστροφη αντίδραση πραγματοποιούνται με τον ίδιο ρυθμό, οπότε οι ποσότητες κάθε ουσίας παύουν να μεταβάλλονται. Η σταθερά ισορροπίας (K) είναι ένας αριθμός που συγκρίνει την ποσότητα του προϊόντος με την ποσότητα του αντιδρώντος σε εκείνο το σημείο. Αυτός ο υπολογιστής βρίσκει το K από τις συγκεντρώσεις και τους συντελεστές που εισάγετε.

Τύπος της σταθεράς ισορροπίας

Για μια εξισορροπημένη αντίδραση:

$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$

η έκφραση της σταθεράς ισορροπίας είναι:

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

Τα προϊόντα τοποθετούνται στον αριθμητή και τα αντιδρώντα στον παρονομαστή. Οι αγκύλες σημαίνουν «συγκέντρωση σε mol ανά λίτρο (mol/L)». Κάθε συγκέντρωση υψώνεται σε δύναμη ίση με τον συντελεστή της από την εξισορροπημένη εξίσωση.

Πώς υπολογίζεται η σταθερά ισορροπίας

1. Γράψτε την εξισορροπημένη εξίσωση και σημειώστε κάθε συντελεστή.
2. Βρείτε κάθε συγκέντρωση στην ισορροπία, όχι στην αρχή της αντίδρασης.
3. Υψώστε κάθε συγκέντρωση στη δύναμη που αντιστοιχεί στον συντελεστή της.
4. Πολλαπλασιάστε μεταξύ τους τους όρους των προϊόντων και τους όρους των αντιδρώντων και, στη συνέχεια, διαιρέστε το πρώτο αποτέλεσμα με το δεύτερο.

Παράδειγμα: σχηματισμός υδροϊωδικού οξέος

Η αντίδραση H₂ + I₂ ⇌ 2HI φτάνει σε ισορροπία σε σφραγισμένο δοχείο. Ας υποθέσουμε ότι οι συγκεντρώσεις ισορροπίας είναι:

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

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

Εδώ το K είναι ένας μέτριος αριθμός, επομένως στην ισορροπία παραμένουν μετρήσιμες ποσότητες τόσο των αντιδρώντων όσο και των προϊόντων.

Παράδειγμα: σύνθεση αμμωνίας (διεργασία Haber)

Η αντίδραση N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ παράγει αμμωνία για λιπάσματα. Ας υποθέσουμε ότι μετρώνται οι εξής συγκεντρώσεις ισορροπίας:

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

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

Ο συντελεστής 3 του H₂ γίνεται εκθέτης 3 στον τύπο. Μια τιμή K μεγαλύτερη από 100 σημαίνει ότι, υπό αυτές τις συνθήκες, η αντίδραση ευνοεί τα προϊόντα.

Τι περιλαμβάνεται στην έκφραση της ισορροπίας

Στο K εμφανίζονται μόνο αέρια και διαλυμένες ουσίες. Τα καθαρά στερεά και τα καθαρά υγρά παραλείπονται, επειδή η συγκέντρωσή τους παραμένει ίδια ανεξάρτητα από την ποσότητα που υπάρχει. Για την αντίδραση CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g), η έκφραση είναι απλώς K = [CO₂]. Τα δύο στερεά παραλείπονται.

Μια τιμή K ισχύει μόνο στη θερμοκρασία στην οποία μετρήθηκε. Η μεταβολή της θερμοκρασίας μεταβάλλει και το ίδιο το K. Η πίεση και οι καταλύτες επηρεάζουν την ταχύτητα με την οποία μια αντίδραση φτάνει σε ισορροπία, αλλά κανένα από τα δύο δεν μεταβάλλει την τιμή του K.

Τύποι σταθερών ισορροπίας

Οι χημικοί χρησιμοποιούν διαφορετικές ονομασίες ανάλογα με το τι μετράται.

• Kc: βασίζεται στις συγκεντρώσεις σε mol/L. Αυτό υπολογίζει ο παραπάνω υπολογιστής.
• Kp: βασίζεται στις μερικές πιέσεις των αερίων και συνδέεται με το Kc μέσω της σχέσης Kp = Kc(RT)^Δn.
• Ka και Kb: περιγράφουν τον βαθμό διάστασης ενός ασθενούς οξέος ή μιας ασθενούς βάσης στο νερό.
• Ksp: περιγράφει την ποσότητα ενός στερεού που διαλύεται στο νερό και ονομάζεται γινόμενο διαλυτότητας.

Κάθε μία ακολουθεί τον ίδιο κανόνα: προϊόντα προς αντιδρώντα, με καθένα υψωμένο στη δύναμη του συντελεστή του.

Χρήση του υπολογιστή

Επιλέξτε πόσα αντιδρώντα και προϊόντα έχει η αντίδραση, έως πέντε από το καθένα. Για κάθε ουσία, εισαγάγετε τη συγκέντρωσή της σε mol/L και τον συντελεστή της από την εξισορροπημένη εξίσωση. Ο υπολογιστής πολλαπλασιάζει αυτόματα τους όρους και των δύο πλευρών και εκτελεί τη διαίρεση.

Κάθε συγκέντρωση πρέπει να είναι μεγαλύτερη από το μηδέν και κάθε συντελεστής πρέπει να είναι ακέραιος αριθμός ίσος με 1 ή μεγαλύτερος. Η εισαγωγή οποιασδήποτε άλλης τιμής επισημαίνει το πεδίο ως λανθασμένο και δεν εμφανίζεται αποτέλεσμα. Τα αποτελέσματα μεταξύ 0,001 και 1000 εμφανίζονται με τέσσερα δεκαδικά ψηφία, όπως 8,0000. Τιμές πάνω από 1000 ή κάτω από 0,001 εμφανίζονται σε επιστημονική γραφή, επομένως το 12.340 εμφανίζεται ως 1.2340e+4.

Το K αναφέρεται ως απλός αριθμός χωρίς μονάδα. Οι χημικοί συνήθως συγκρίνουν κάθε συγκέντρωση με πρότυπη συγκέντρωση 1 mol/L πριν από τους υπολογισμούς, οπότε οι μονάδες απαλείφονται.

Ένα συνηθισμένο λάθος είναι η εισαγωγή αρχικών συγκεντρώσεων αντί για συγκεντρώσεις ισορροπίας. Αυτό δίνει το πηλίκο αντίδρασης, Q, αντί για το K. Το Q χρησιμοποιεί τον ίδιο τύπο με το K, αλλά μπορεί να υπολογιστεί σε οποιοδήποτε σημείο της αντίδρασης, όχι μόνο στην ισορροπία. Η σύγκριση του Q με το K δείχνει προς ποια κατεύθυνση πρέπει ακόμη να μετατοπιστεί η αντίδραση: αν το Q είναι μικρότερο από το K, η αντίδραση προχωρά προς τα προϊόντα· αν το Q είναι μεγαλύτερο από το K, προχωρά προς τα αντιδρώντα.

Συχνές ερωτήσεις

Τι σημαίνει μεγάλη ή μικρή τιμή K;

Ένα K πολύ μεγαλύτερο από 1 σημαίνει ότι στην ισορροπία η αντίδραση ευνοεί τα προϊόντα. Ένα K πολύ μικρότερο από 1 σημαίνει ότι ευνοεί τα αντιδρώντα. Ένα K κοντά στο 1 σημαίνει ότι και οι δύο πλευρές υπάρχουν σε παρόμοιες ποσότητες.

Γιατί παραλείπονται τα στερεά και τα υγρά από την έκφραση του K;

Επειδή η συγκέντρωσή τους δεν μεταβάλλεται. Ένα κομμάτι στερεού έχει την ίδια πυκνότητα είτε είναι μεγάλο είτε μικρό, επομένως η συμπερίληψή του θα πολλαπλασίαζε απλώς το K με μια σταθερά, η οποία δεν μεταβάλλεται ποτέ.

Μεταβάλλει η θερμοκρασία το K;

Ναι. Η αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνει το K για αντιδράσεις που απορροφούν θερμότητα και το μειώνει για αντιδράσεις που εκλύουν θερμότητα. Μια τιμή K ισχύει μόνο στη θερμοκρασία για την οποία προσδιορίστηκε.

Μεταβάλλει η πίεση ή ένας καταλύτης το K;

Όχι. Ένας καταλύτης αυξάνει την ταχύτητα με την οποία μια αντίδραση φτάνει σε ισορροπία, αλλά δεν μετατοπίζει την ίδια την ισορροπία. Η πίεση μπορεί να μεταβάλει τις συγκεντρώσεις των αερίων στην ισορροπία, αλλά το K που υπολογίζεται από αυτές τις νέες συγκεντρώσεις παραμένει ίδιο.

Μπορεί το K να είναι αρνητικό;

Όχι. Το K προκύπτει από συγκεντρώσεις, οι οποίες είναι πάντα θετικές, υψωμένες σε θετικές ακέραιες δυνάμεις, επομένως το K είναι πάντα θετικό. Ο υπολογιστής απορρίπτει συγκέντρωση ίση ή μικρότερη από το μηδέν και εμφανίζει σφάλμα αντί για αριθμό.

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ K και Q;

Το K περιγράφει μια αντίδραση αφού φτάσει σε ισορροπία. Το Q χρησιμοποιεί τον ίδιο τύπο, αλλά λειτουργεί με συγκεντρώσεις σε οποιαδήποτε άλλη χρονική στιγμή. Η σύγκριση του Q με το K προβλέπει προς ποια κατεύθυνση θα μετατοπιστεί στη συνέχεια η αντίδραση.

Ιστορία

Οι Νορβηγοί χημικοί Cato Guldberg και Peter Waage πρότειναν τον νόμο της δράσης των μαζών το 1864. Αυτός οδήγησε στην έκφραση της σταθεράς ισορροπίας που χρησιμοποιείται σήμερα. Ο Ολλανδός χημικός Jacobus van 't Hoff διερεύνησε αργότερα πώς εξαρτάται το K από τη θερμοκρασία, στο πλαίσιο της έρευνας που του χάρισε το πρώτο Νόμπελ Χημείας το 1901.