Tasapainovakion Laskuri (K) - Laske Kc Kemiallisille Reaktioille

Mikä on tasapainovakio?

Eteenpäin ja taaksepäin tapahtuva reaktio on palautuva reaktio. Se saavuttaa tasapainon, kun etenevä ja käänteinen reaktio tapahtuvat samalla nopeudella, jolloin kunkin aineen määrät lakkaavat muuttumasta. Tasapainovakio (K) on luku, joka vertaa tuotteiden määrää lähtöaineiden määrään tässä tilanteessa. Tämä laskin määrittää K:n antamiesi konsentraatioiden ja kertoimien perusteella.

Tasapainovakion kaava

Tasapainotetulle reaktioyhtälölle:

$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$

tasapainovakion lauseke on:

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

Tuotteet sijoitetaan osoittajaan ja lähtöaineet nimittäjään. Hakasulkeet tarkoittavat ”konsentraatio mooleina litraa kohden (mol/L)”. Kukin konsentraatio korotetaan tasapainotetun yhtälön kertoimen osoittamaan potenssiin.

Tasapainovakion laskeminen

Kirjoita tasapainotettu reaktioyhtälö ja merkitse kukin kerroin muistiin.
Selvitä kunkin aineen konsentraatio tasapainossa, ei reaktion alussa.
Korota kukin konsentraatio sen kertoimen osoittamaan potenssiin.
Kerro tuotetekijät keskenään ja lähtöainetekijät keskenään, ja jaa ensimmäinen tulos toisella.

Esimerkki: jodivedyn muodostuminen

Reaktio H₂ + I₂ ⇌ 2HI saavuttaa tasapainon suljetussa astiassa. Oletetaan, että tasapainokonsentraatiot ovat:

[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 on tässä tapauksessa kohtuullisen suuruinen, joten sekä lähtöaineita että tuotteita jää tasapainoon mitattavia määriä.

Esimerkki: ammoniakin synteesi (Haberin prosessi)

Reaktiossa N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ valmistetaan ammoniakkia lannoitteita varten. Oletetaan, että seuraavat tasapainokonsentraatiot on mitattu:

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

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

Kertoimesta 3 aineelle H₂ tulee kaavassa eksponentti 3. K:n arvo yli 100 tarkoittaa, että reaktio suosii tuotteita näissä olosuhteissa.

Mitkä aineet otetaan mukaan tasapainovakion lausekkeeseen

Vain kaasut ja liuenneet aineet esiintyvät K:n lausekkeessa. Puhtaat kiinteät aineet ja puhtaat nesteet jätetään pois, koska niiden konsentraatio pysyy samana riippumatta aineen määrästä. Reaktiolle CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) lauseke on yksinkertaisesti K = [CO₂]. Molemmat kiinteät aineet jätetään pois.

K:n arvo pätee vain siinä lämpötilassa, jossa se mitattiin. Lämpötilan muuttaminen muuttaa itse K:n arvoa. Paine ja katalyytit vaikuttavat siihen, kuinka nopeasti reaktio saavuttaa tasapainon, mutta kumpikaan ei muuta K:n arvoa.

Tasapainovakioiden tyypit

Kemistit käyttävät eri tunnuksia sen mukaan, mitä mitataan.

Kc: perustuu konsentraatioihin yksikössä mol/L. Tämän laskee edellä oleva laskin.
Kp: perustuu kaasujen osapaineisiin ja liittyy Kc:hen yhtälön Kp = Kc(RT)^Δn kautta.
Ka ja Kb: kuvaavat, kuinka pitkälle heikko happo tai heikko emäs hajoaa vedessä.
Ksp: kuvaa, kuinka paljon kiinteää ainetta liukenee veteen; sitä kutsutaan liukoisuustuloksi.

Kaikki noudattavat samaa sääntöä: tuotteiden tulo jaetaan lähtöaineiden tulolla, ja kukin termi korotetaan kertoimensa mukaiseen potenssiin.

Laskurin käyttö

Valitse reaktion lähtöaineiden ja tuotteiden lukumäärä, enintään viisi kumpaakin. Syötä jokaiselle aineelle sen konsentraatio yksikössä mol/L ja sen kerroin tasapainotetusta reaktioyhtälöstä. Laskin kertoo molempien puolten tekijät keskenään ja suorittaa jakolaskun automaattisesti.

Kunkin konsentraation on oltava suurempi kuin nolla, ja kunkin kertoimen on oltava kokonaisluku 1 tai suurempi. Jos syötät jotain muuta, kenttä merkitään virheelliseksi eikä tulosta näytetä. Arvot väliltä 0,001–1000 näytetään neljän desimaalin tarkkuudella, esimerkiksi 8,0000. Arvot, jotka ovat suurempia kuin 1000 tai pienempiä kuin 0,001, esitetään tieteellisenä merkintänä, joten 12 340 näytetään muodossa 1.2340e+4.

K ilmoitetaan paljaana lukuna ilman yksikköä. Kemistit vertaavat tavallisesti kutakin konsentraatiota standardiin 1 mol/L ennen laskutoimitusta, jolloin yksiköt supistuvat pois.

Yleinen virhe on syöttää alku- eikä tasapainokonsentraatiot. Tällöin saadaan reaktio-osamäärä Q eikä K. Q käyttää samaa kaavaa kuin K, mutta sen voi laskea missä tahansa reaktion vaiheessa, ei vain tasapainossa. Q:n ja K:n vertaaminen osoittaa, mihin suuntaan reaktion on vielä siirryttävä: jos Q on pienempi kuin K, reaktio etenee kohti tuotteita; jos Q on suurempi kuin K, se etenee kohti lähtöaineita.

Usein kysyttyä

Mitä suuri tai pieni K:n arvo tarkoittaa?

K:n arvo, joka on paljon suurempi kuin 1, tarkoittaa, että reaktio suosii tuotteita tasapainossa. K:n arvo, joka on paljon pienempi kuin 1, tarkoittaa, että se suosii lähtöaineita. K:n arvo lähellä 1 tarkoittaa, että molempia on läsnä samankaltaiset määrät.

Miksi kiinteät aineet ja nesteet jätetään pois K:n lausekkeesta?

Koska niiden konsentraatio ei muutu. Kiinteän aineen kappaleen tiheys on sama riippumatta siitä, onko kappale suuri vai pieni, joten sen mukaan ottaminen vain kertoisi K:n vakiolla, joka ei muutu.

Muuttaako lämpötila K:n arvoa?

Kyllä. Lämpötilan nostaminen suurentaa K:n arvoa lämpöä sitovissa reaktioissa ja pienentää sitä lämpöä vapauttavissa reaktioissa. K:n arvo pätee vain siinä lämpötilassa, jossa se määritettiin.

Muuttavatko paine tai katalyytti K:n arvoa?

Eivät. Katalyytti nopeuttaa reaktion etenemistä tasapainoon, mutta ei siirrä itse tasapainoa. Paine voi muuttaa kaasujen konsentraatioita tasapainossa, mutta näistä uusista konsentraatioista laskettu K pysyy samana.

Voiko K olla negatiivinen?

Ei. K perustuu konsentraatioihin, jotka ovat aina positiivisia, ja niiden potenssit ovat positiivisia kokonaislukuja, joten K on aina positiivinen. Laskin hylkää nollan tai sitä pienemmän konsentraation ja näyttää luvun sijaan virheilmoituksen.

Mikä ero on K:lla ja Q:lla?

K kuvaa reaktiota sen saavutettua tasapainon. Q käyttää samaa kaavaa, mutta sen konsentraatiot voivat olla peräisin mistä tahansa muusta hetkestä. Q:n ja K:n vertaaminen ennustaa, mihin suuntaan reaktio seuraavaksi siirtyy.

Historia

Norjalaiset kemistit Cato Guldberg ja Peter Waage esittivät massavaikutuksen lain vuonna 1864. Se johti nykyisin käytettävään tasapainovakion lausekkeeseen. Hollantilainen kemisti Jacobus van 't Hoff selvitti myöhemmin, miten K riippuu lämpötilasta. Tämä tutkimus oli osa sitä työtä, josta hänelle myönnettiin ensimmäinen kemian Nobel-palkinto vuonna 1901.

Tasapainovakion Laskuri (K) - Laske Kc Kemiallisille Reaktioille