Reaktsiooni Kvotsiendi Kalkulaator - Arvutage Q Väärtusi Tasuta

Mis on reaktsioonikvoodi kalkulaator?

Reaktsioonikvoodi kalkulaator leiab Q väärtuse ehk arvu, mis võrdleb keemilise reaktsiooni mis tahes hetkel saaduse hulka lähteaine hulgaga. See töötab reaktsioonidega, milles on kuni kolm lähteainet ja kolm saadust. Sisestage iga aine stöhhiomeetriline koefitsient (selle arv tasakaalustatud võrrandis) ja molaarne kontsentratsioon ning kalkulaator tagastab Q koos valemi ja asendatud väärtustega.

Mis on reaktsioonikvoot (Q)?

Reaktsioonikvoot on saaduste kontsentratsioonide ja lähteainete kontsentratsioonide suhe, kus iga kontsentratsioon on tõstetud tasakaalustatud võrrandis oleva koefitsiendi astmesse. Seda saab arvutada reaktsiooni mis tahes hetkel, mitte ainult tasakaaluolekus. Q võrdlemine tasakaalukonstandiga K näitab, millises suunas reaktsioon kulgeb.

Reaktsioonikvoodi valem

Üldise reaktsiooni korral

$aA + bB \rightarrow cC + dD$

reaktsioonikvoot on

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

Siin on [A], [B], [C] ja [D] molaarsed kontsentratsioonid (mol/L) ning a, b, c ja d on tasakaalustatud võrrandist pärinevad täisarvulised koefitsiendid. Kalkulaator esitab sama reegli üldkujul Q = (∏[Products]^ν) / (∏[Reactants]^ν), kus ∏ tähendab „korruta kõik liikmed omavahel” ja ν tähistab iga aine koefitsienti. Puhtad tahked ained ja puhtad vedelikud jäetakse avaldisest välja, sest nende kontsentratsioon reaktsiooni jooksul ei muutu.

Kuidas arvutada reaktsioonikvooti

1. Kirjutage tasakaalustatud keemiline võrrand.
2. Märkige iga lähteaine ja saaduse koefitsient.
3. Leidke iga aine kontsentratsioon mol/L-des huvipakkuval hetkel.
4. Tõstke iga kontsentratsioon oma koefitsiendi astmesse.
5. Korrutage lugeja jaoks saaduste liikmed omavahel ja nimetaja jaoks lähteainete liikmed omavahel.
6. Jagage lugeja nimetajaga.

Näidisarvutus

Vaatleme reaktsiooni, milles moodustub ammoniaak:

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

Oletame, et kontsentratsioonid on $[N_2] = 0.5\text{ M}$, $[H_2] = 0.2\text{ M}$ ja $[NH_3] = 0.1\text{ M}$.

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

Selles reaktsioonihetkes on Q võrdne väärtusega 2,5.

Q ja tasakaalukonstant (K)

Q ja K kasutavad sama valemit, kuid K on väärtus, mille Q saavutab siis, kui reaktsioon kindlal temperatuuril tasakaaluolekus enam ei muutu. Nende kahe väärtuse võrdlemine ennustab, millises suunas reaktsioon nihkub:

• Q < K: reaktsioon kulgeb edasi ja moodustub rohkem saadust.
• Q = K: reaktsioon on tasakaalus; kontsentratsioonid enam ei muutu.
• Q > K: reaktsioon kulgeb tagasisuunas ja moodustub rohkem lähteainet.

Q null- ja määramata väärtused

Kui saaduse kontsentratsioon on null ja kõigi lähteainete kontsentratsioonid on nullist suuremad, on lugeja null, seega on Q võrdne väärtusega 0. See on tüüpiline reaktsiooni alguses, enne kui palju saadust on moodustunud.

Kui mõne lähteaine kontsentratsioon on null, on nimetaja null ja Q matemaatiliselt määramata. Kalkulaator annab sellest hoiatusena teada ning kuvab tulemuse kujul ∞, sest suhe kasvab piiramatult, kui lähteaine kontsentratsioon läheneb nullile.

Kui nii lähteaine kui ka saaduse kontsentratsioon on null, on suhe 0 jagatud 0-ga, millel puudub üks kindel väärtus. Kalkulaator rakendab esmalt nullkontsentratsiooniga lähteaine reeglit, seega kuvab ta ∞ ja hoiatuse.

Reaktsioonikvoodi kasutusalad

Keemikud kasutavad Q-d, et ennustada, millises suunas reaktsioon kontsentratsioonide muutumisel nihkub. See on seotud Le Châtelier’ printsiibiga: lähteaine lisamine vähendab Q väärtuseni, mis on väiksem kui K, mistõttu reaktsioon nihkub edasi, kuni Q tõuseb tagasi K-ni. Q esineb ka Ner nsti võrrandis $E = E^\circ - \frac{RT}{nF}\ln Q$, mis seob elektrokeemilise elemendi pinge selles osalevate ainete kontsentratsioonidega, ning vabaenergia ja reaktsiooni kulgemise vahelises seoses $\Delta G = \Delta G^\circ + RT\ln Q$. Tööstuskeemikud jälgivad Q-d, et hinnata protsessi kaugust tasakaalust ja kohandada tingimusi parema saagise saavutamiseks.

Ajalugu

Norra keemikud Cato Guldberg ja Peter Waage esitasid massitoimeseaduse 1864. aastal; selle kohaselt sõltuvad reaktsioonikiirused reageerivate ainete kontsentratsioonidest. See idee viis tasakaalukonstandi K kasutuselevõtuni. J. Willard Gibbs seostas hiljem keemilise tasakaalu vabaenergiaga 1870. aastatel, andes Q-le koha termodünaamikas: reaktsioon kulgeb selles suunas, mis vähendab süsteemi vabaenergiat, ning Q mõõdab, kui kaugel on süsteem K-ga tähistatud vabaenergia miinimumist.

Kuidas kalkulaatorit kasutada

1. Valige lähteainete arv (1 kuni 3) ja saaduste arv (1 kuni 3).
2. Sisestage iga aine koefitsient tasakaalustatud võrrandist. Koefitsiendid peavad olema täisarvud alates väärtusest 1.
3. Sisestage iga aine kontsentratsioon mol/L-des. Kontsentratsioon peab olema null või positiivne arv.
4. Lugege tulemuste jaotisest Q väärtust koos valemi ja asendatud arvudega.

Korduma kippuvad küsimused

Mis vahe on Q-l ja K-l? Need arvutatakse sama valemi abil. Q-d saab leida reaktsiooni mis tahes hetkel; K on Q väärtus pärast seda, kui reaktsioon saavutab antud temperatuuril tasakaalu.

Kas Q võib olla null? Jah. Kui saaduse kontsentratsioon on null ja kõigi lähteainete kontsentratsioonid on nullist suuremad, on Q avaldise lugeja null, seega on Q null.

Kas Q võib olla määramata? Jah. Kui mõne lähteaine kontsentratsioon on null, on nimetaja null, mistõttu on Q rangelt matemaatilises tähenduses määramata. Kalkulaator kuvab sellisel juhul ∞ ja hoiatuse.

Kas temperatuur mõjutab Q-d? Temperatuur ei esine Q valemis otseselt, kuid muudab K väärtust ja võib muuta Q arvutamisel kasutatavaid kontsentratsioone. Võrrelge Q-d samal temperatuuril mõõdetud K väärtusega.

Kas tahked ained ja vedelikud esinevad Q avaldises? Ei. Puhtad tahked ained ja puhtad vedelikud jäetakse välja, sest nende kontsentratsioon püsib reaktsiooni jooksul muutumatuna. Kaasatakse ainult lahustunud ja gaasilised ained.

Miks tõstetakse kontsentratsioonid astmesse? Astendaja vastab iga aine koefitsiendile tasakaalustatud võrrandis, järgides massitoimeseadust. Reaktsioonis 2 A → B suurendab [A] kahekordistamine lähteaine liikme neljakordseks (2²), mis kajastab asjaolu, et iga moodustuva B mooli kohta reageerib kaks A mooli.

Viited

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