Kp kalkulaator - arvutage gaasireaktsioonide tasakaalukonstante

Mis on Kp?

Kp on gaaside vahel toimuva keemilise reaktsiooni tasakaalukonstant, mis on esitatud osarõhkude kaudu. Kp kalkulaator võtab tasakaalustatud võrrandist osarõhud ja kordajad ning tagastab selle arvu. Kui Kp on suurem kui 1, soosib reaktsioon tasakaaluolekus saadusi. Kui Kp on väiksem kui 1, soosib see lähteaineid.

Keemikud kasutavad kontsentratsioonipõhise konstandi Kc asemel Kp-d siis, kui rõhk on gaasi koguse mõõtmiseks loomulik viis, näiteks tööstuslikes reaktorites või atmosfääris.

Kp valem

Üldise reaktsiooni korral

$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$

on tasakaalukonstant

$K_p = \frac{(P_C)^c \times (P_D)^d}{(P_A)^a \times (P_B)^b}$

Iga osarõhk ($P$) astendatakse selle stöhhiomeetrilise kordajaga (arvuga, mis tähistab selle aine ees olevat kordajat tasakaalustatud võrrandis). Saadused kirjutatakse murru lugejasse ja lähteained nimetajasse.

Kehtivad mõned reeglid:

• Rõhud peavad olema suuremad kui null. See kalkulaator märgib rõhu ühikuks atmosfääri (atm). Kasutada võib ka muud ühikut, kui ühes arvutuses kasutatakse kõigi ainete puhul sama ühikut.
• Kordajad peavad olema suuremad kui null. Tavaliselt on need täisarvud, kuid lubatud on ka murd. Tekkimisvõrrand H₂(g) + ½O₂(g) ⇌ H₂O(g) kasutab kordajat ½ ja kalkulaator aktsepteerib seal väärtust 0,5.
• Puhtad tahked ained ja vedelikud jäetakse avaldisest välja, sest nende aktiivsus on fikseeritud väärtusel 1. Reaktsiooni CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) korral esineb ainult CO₂ rõhk, seega $K_p = P_{CO_2}$.
• Kp kehtib ainult ühel temperatuuril. Temperatuuri muutmine muudab Kp-d, kogurõhu muutmine aga mitte.
• Kp ühik sõltub suurusest Δn, mis on tekkinud gaasi moolide ja tarbitud gaasi moolide vahe. Kp ühikuks on rõhu ühik astmes Δn. Kui Δn on 0, ühikud taanduvad ja Kp on ühikuta arv. Keemikud esitavad Kp tavaliselt ühikuta arvuna, jagades iga rõhu kõigepealt standardrõhuga 1 bar.

Kp on seotud kontsentratsioonipõhise tasakaalukonstandi Kc-ga seose kaudu

$K_p = K_c \times (RT)^{\Delta n}$

kus $R = 0.0821$ L·atm/(mol·K), $T$ on temperatuur kelvinites ja $\Delta n$ on gaasiliste saaduste moolide ja gaasiliste lähteainete moolide vahe. Kui $\Delta n = 0$, on Kp ja Kc arvuliselt võrdsed.

Kuidas selle tööriistaga Kp-d arvutada

1. Loetlege lähteained. Sisestage iga lähteaine kohta selle keemiline valem (soovi korral viitamiseks), tasakaalustatud võrrandist saadud stöhhiomeetriline kordaja ja selle osarõhk tasakaaluolekus. Kui võrrandis on rohkem kui üks lähteaine, lisage ridu käsuga „Lisa lähteaine”.
2. Loetlege saadused samal viisil, kasutades lisaridade jaoks käsku „Lisa saadus”.
3. Lugege tulemust. Kalkulaator astendab iga rõhu selle kordajaga, korrutab saaduste liikmed omavahel, korrutab lähteainete liikmed omavahel ja jagab need. Kp väärtus uueneb kohe, kui igal väljal on arv. Eraldi arvutusnuppu ei ole. „Lähtesta” taastab vormi nii, et selles on üks lähteaine ja üks saadus.

Kui väli jäetakse tühjaks, küsib tööriist väärtust, mitte ei paku seda oletuse põhjal. Kui kordaja või rõhk on null või negatiivne, kuvab see arvu asemel hoiatuse.

Väga väikesed tulemused (alla 0,001) või väga suured tulemused (üle 10 000) kuvatakse teaduslikus tähistuses, näiteks 2.5000e-6. Muud tulemused kuvatakse tavalise kümnendmurruna.

Läbitöötatud näide: ammoniaagi süntees

Haberi protsessis sünteesitakse lämmastikust ja vesinikust ammoniaaki:

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

Oletame, et reaktsioonianumas on tasakaaluolekus järgmised osarõhud:

• $P_{N_2} = 0.5$ atm (kordaja 1)
• $P_{H_2} = 0.2$ atm (kordaja 3)
• $P_{NH_3} = 0.8$ atm (kordaja 2)

$K_p = \frac{(P_{NH_3})^2}{(P_{N_2})^1 \times (P_{H_2})^3} = \frac{(0.8)^2}{(0.5) \times (0.2)^3} = \frac{0.64}{0.004} = 160$

Kp väärtus 160 tähendab, et tasakaalusegu sisaldab palju rohkem ammoniaaki kui lämmastikku ja vesinikku.

Teine näide: vee-gaasi nihkereaktsioon

$CO(g) + H_2O(g) \rightleftharpoons CO_2(g) + H_2(g)$

Kui $P_{CO} = 0.1$ atm, $P_{H_2O} = 0.2$ atm, $P_{CO_2} = 0.4$ atm ja $P_{H_2} = 0.3$ atm ning kõik kordajad on võrdsed väärtusega 1:

$K_p = \frac{0.4 \times 0.3}{0.1 \times 0.2} = \frac{0.12}{0.02} = 6$

Miks Kp on oluline

Kp võrdlus reaktsioonikvoodi Q-ga, mis arvutatakse enne tasakaalu saavutamist mõõdetud rõhkude põhjal, näitab, millises suunas reaktsioon kulgeb. Kui Q on väiksem kui Kp, moodustab reaktsioon rohkem saadust. Kui Q on suurem kui Kp, moodustab see rohkem lähteainet.

Tööstusprotsessid põhinevad sellel. Nii Haberi-Boschi ammoniaagi tootmise protsessi kui ka väävelhappe tootmise kontaktprotsessi käitatakse temperatuuridel ja rõhkudel, mis valitakse Kp-andmete põhjal, tasakaalustades saagise ja reaktsioonikiiruse. Kp-d kasutatakse ka atmosfääri tasakaalude modelleerimiseks, näiteks selle hindamiseks, kuidas vääveldioksiid happevihmade tekkes vääveltrioksiidiks muundub.

Korduma kippuvad küsimused

Mis vahe on Kp-l ja Kc-l? Kp kasutab osarõhke, Kc molaarkontsentratsioone. Need kirjeldavad sama gaasifaasi tasakaalu ja on seotud seosega $K_p = K_c(RT)^{\Delta n}$.

Kas kogurõhu muutmine muudab Kp-d? Ei. Kp sõltub ainult temperatuurist. Rõhu muutmine nihutab tasakaalu asendit — üksikud osarõhud kohanduvad —, kuid Kp väärtus ise jääb konstantsel temperatuuril samaks.

Kas Kp võib olla negatiivne või null? Ei. Kp on positiivsete rõhkude suhe, mille rõhud on astendatud positiivsete astmetega, seega on see alati positiivne. Reaktsiooni korral, mis kulgeb väga vähesel määral, on Kp nullilähedane, kuid mitte kunagi sellega võrdne.

Miks tahked ained ja vedelikud Kp avaldises ei esine? Puhtal tahkel ainel või vedelikul on fikseeritud koostis, mis reaktsiooni käigus ei muutu, mistõttu on selle aktiivsus defineeritud väärtusel 1 ja see taandub suhtest matemaatiliselt välja.

Mida tähendab Kp = 1? Avaldise saaduse liik ja lähteaine liik on võrdsed. See ei tähenda, et üksikud osarõhud oleksid võrdsed, sest kordajad mõjutavad arvutust.

Millal tuleks arvestada reaalsete (mitteideaalsete) gaaside käitumisega? Alla ligikaudu 10 atm juures käituvad enamik gaase tavapäraste Kp-arvutuste jaoks piisavalt ideaalselt. Sellest suurema rõhu korral kasutatakse mõõdetud rõhu asemel tavaliselt fugatiivsust ehk efektiivset rõhku, mis korrigeerib molekulidevaheliste jõudude mõju.

Viited

1. Atkins, P. W. ja De Paula, J. (2014). Atkinsi füüsikaline keemia (10. väljaanne). Oxford University Press.
2. Chang, R. ja Goldsby, K. A. (2015). Keemia (12. väljaanne). McGraw-Hill Education.
3. IUPAC (2014). Keemiaterminoloogia kogumik („Gold Book“).