Kp Kalkulator - Izračunajte Ravnotežne Konstante za Plinske Reakcije

Što je Kp?

Kp je konstanta ravnoteže za kemijsku reakciju koja se odvija između plinova, izražena u obliku parcijalnih tlakova. Kalkulator Kp uzima parcijalne tlakove i koeficijente iz izjednačene jednadžbe te vraća tu vrijednost. Kp veći od 1 znači da ravnoteža pogoduje produktima. Kp manji od 1 znači da pogoduje reaktantima.

Kemičari upotrebljavaju Kp umjesto konstante Kc, koja se temelji na koncentraciji, kad je tlak prirodan način mjerenja količine prisutnog plina, primjerice u industrijskim reaktorima ili atmosferi.

Formula za Kp

Za opću reakciju

$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$

konstanta ravnoteže glasi

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

Svaki parcijalni tlak ($P$) potencira se na vrijednost stehiometrijskog koeficijenta (broja ispred te tvari u izjednačenoj jednadžbi). Produkti se stavljaju u brojnik, a reaktanti u nazivnik.

Primjenjuje se nekoliko pravila:

• Tlakovi moraju biti veći od nule. Ovaj kalkulator označava polje za tlak u atmosferama (atm). Može se upotrebljavati i druga jedinica, pod uvjetom da se u jednom izračunu za svaku tvar upotrebljava ista jedinica.
• Koeficijenti moraju biti veći od nule. Obično su cijeli brojevi, ali dopušten je i razlomak. Jednadžba nastajanja H₂(g) + ½O₂(g) ⇌ H₂O(g) upotrebljava ½, a kalkulator na tom mjestu prihvaća 0,5.
• Čiste krutine i tekućine izostavljaju se iz izraza jer je njihova aktivnost stalna i jednaka 1. Za CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) pojavljuje se samo tlak CO₂, pa je $K_p = P_{CO_2}$.
• Kp vrijedi samo pri jednoj temperaturi. Promjena temperature mijenja Kp, a promjena ukupnog tlaka ne.
• Jedinica za Kp ovisi o Δn, odnosno o količini plina izraženoj u molovima koja nastaje umanjeno za količinu koja se troši. Kp ima jedinice tlaka potencirane na Δn. Kada je Δn 0, jedinice se poništavaju i Kp je običan broj. Kemičari obično navode Kp kao običan broj tako da svaki tlak najprije podijele standardnim tlakom od 1 bar.

Kp je povezan s Kc, konstantom ravnoteže koja se temelji na koncentraciji, izrazom

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

gdje je $R = 0.0821$ L·atm/(mol·K), $T$ temperatura u kelvinima, a $\Delta n$ broj molova plinovitih produkata umanjen za broj molova plinovitih reaktanata. Kada je $\Delta n = 0$, Kp i Kc brojčano su jednaki.

Kako izračunati Kp ovim alatom

1. Navedite reaktante. Za svaki unesite njegovu kemijsku formulu (neobavezno, kao referencu), stehiometrijski koeficijent iz izjednačene jednadžbe i njegov parcijalni tlak pri ravnoteži. Ako jednadžba ima više reaktanata, dodajte retke s pomoću opcije „Add Reactant”.
2. Navedite produkte na isti način, a dodatne retke dodajte s pomoću opcije „Add Product”.
3. Pročitajte rezultat. Kalkulator svaki tlak potencira na njegov koeficijent, međusobno množi članove za produkte, međusobno množi članove za reaktante i zatim dijeli ta dva umnoška. Vrijednost Kp ažurira se čim svako polje sadržava broj. Ne postoji zaseban gumb za izračun. Opcija „Reset” vraća obrazac na jednog reaktanta i jedan produkt.

Ako se polje ostavi praznim, alat traži vrijednost umjesto da je nagađa. Ako je koeficijent ili tlak jednak nuli ili negativan, prikazuje upozorenje umjesto broja.

Vrlo mali rezultati (manji od 0,001) ili vrlo veliki rezultati (veći od 10.000) prikazuju se u znanstvenom zapisu, primjerice 2.5000e-6. Ostali rezultati prikazuju se kao decimalni brojevi.

Primjer izračuna: sinteza amonijaka

Haberov proces proizvodi amonijak iz dušika i vodika:

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

Pretpostavimo da su parcijalni tlakovi pri ravnoteži u reakcijskoj posudi:

• $P_{N_2} = 0.5$ atm (koeficijent 1)
• $P_{H_2} = 0.2$ atm (koeficijent 3)
• $P_{NH_3} = 0.8$ atm (koeficijent 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 od 160 znači da ravnotežna smjesa sadržava mnogo više amonijaka nego dušika i vodika.

Drugi primjer: reakcija izmjene vodenog plina

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

Za $P_{CO} = 0.1$ atm, $P_{H_2O} = 0.2$ atm, $P_{CO_2} = 0.4$ atm i $P_{H_2} = 0.3$ atm, pri čemu su svi koeficijenti jednaki 1:

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

Zašto je Kp važan

Usporedba Kp s reakcijskim kvocijentom Q, izračunatim iz tlakova koji još nisu pri ravnoteži, predviđa u kojem će se smjeru reakcija pomaknuti. Ako je Q manji od Kp, reakcijom nastaje više produkta. Ako je Q veći od Kp, nastaje više reaktanta.

Industrijski procesi oslanjaju se na to. Haber-Boschov proces za amonijak i kontaktni proces za sumpornu kiselinu odvijaju se pri temperaturama i tlakovima odabranima na temelju podataka za Kp, uz usklađivanje prinosa i brzine reakcije. Kp se upotrebljava i za modeliranje atmosferskih ravnoteža, primjerice pretvorbe sumporova dioksida u sumporov trioksid pri nastajanju kiselih kiša.

Često postavljana pitanja

Koja je razlika između Kp i Kc? Kp upotrebljava parcijalne tlakove, a Kc molarne koncentracije. Opisuju istu ravnotežu u plinskoj fazi i povezani su izrazom $K_p = K_c(RT)^{\Delta n}$.

Mijenja li promjena ukupnog tlaka Kp? Ne. Kp ovisi samo o temperaturi. Promjena tlaka pomiče položaj ravnoteže — pojedinačni se parcijalni tlakovi prilagođavaju — ali sama vrijednost Kp ostaje ista pri stalnoj temperaturi.

Može li Kp biti negativan ili jednak nuli? Ne. Kp je omjer pozitivnih tlakova potenciranih na pozitivne eksponente, pa je uvijek pozitivan. Reakcija koja se odvija tek neznatno ima Kp blizu nule, ali on joj nikad nije jednak.

Zašto se krutine i tekućine ne pojavljuju u izrazu za Kp? Čista krutina ili tekućina ima stalan sastav koji se tijekom reakcije ne mijenja, pa je njezina aktivnost definirana kao 1 i matematički se uklanja iz omjera.

Što znači Kp = 1? Član za produkte i član za reaktante u izrazu jednaki su. To ne znači da su pojedinačni tlakovi jednaki jer koeficijenti utječu na izračun.

Kada treba uzeti u obzir stvarno ponašanje plina koje nije idealno? Ispod približno 10 atm većina se plinova ponaša dovoljno blizu idealnom ponašanju za standardne izračune Kp. Iznad te vrijednosti obično se umjesto izmjerenog tlaka upotrebljava fugacitet, odnosno efektivni tlak koji uzima u obzir međumolekulske sile.

Reference

1. Atkins, P. W. i De Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (10. izdanje). Oxford University Press.
2. Chang, R. i Goldsby, K. A. (2015). Kemija (12. izd.). McGraw-Hill Education.
3. IUPAC (2014). Compendium of Chemical Terminology („Gold Book”).