Egyensúlyi állandó Kalkulátor (K) - Kc kiszámítása kémiai reakciókhoz

Mi az egyensúlyi állandó?

A visszafelé és előrefelé is végbemehet reakciót megfordítható reakciónak nevezzük. Akkor éri el az egyensúlyt, amikor az előre- és a visszairányú reakció azonos sebességgel megy végbe, ezért az egyes anyagok mennyisége már nem változik. Az egyensúlyi állandó (K) egy olyan szám, amely az adott állapotban a termék mennyiségét a reagens mennyiségéhez viszonyítja. Ez a kalkulátor a megadott koncentrációkból és sztöchiometriai együtthatókból számítja ki a K értékét.

Az egyensúlyi állandó képlete

Egyenletrendezett reakció esetén:

$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$

az egyensúlyiállandó-kifejezés:

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

A termékek kerülnek a számlálóba, a reagensek a nevezőbe. A szögletes zárójelek jelentése: „mol/literben kifejezett koncentráció (mol/L)”. Minden koncentrációt a rendezett egyenletben szereplő együtthatójának megfelelő hatványra emelünk.

Az egyensúlyi állandó kiszámítása

1. Írja fel a rendezett egyenletet, és jegyezze fel az egyes együtthatókat.
2. Határozza meg az egyes koncentrációkat egyensúlyban, ne a reakció kezdetén.
3. Emelje minden koncentrációt a hozzá tartozó együttható hatványára.
4. Szorozza össze a termékekhez tartozó tagokat, szorozza össze a reagensekhez tartozó tagokat, majd ossza el az első eredményt a másodikkal.

Példa: hidrogén-jodid képződése

A H₂ + I₂ ⇌ 2HI reakció egy zárt edényben eléri az egyensúlyt. Tegyük fel, hogy az egyensúlyi koncentrációk a következők:

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

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

Ebben az esetben K közepes nagyságú, ezért az egyensúlyban mind a reagensekből, mind a termékekből mérhető mennyiség marad.

Példa: ammóniaszintézis (Haber-folyamat)

A N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ reakcióval műtrágyagyártáshoz ammóniát állítanak elő. Tegyük fel, hogy az alábbi egyensúlyi koncentrációkat mérték:

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

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

A 3 együtthatója a H₂ előtt a képletben 3 kitevővé válik. A 100 feletti K-érték azt jelenti, hogy ilyen körülmények között az egyensúly a termékek oldalára tolódik el.

Mi szerepel az egyensúlyi kifejezésben?

A K kifejezésében csak gázok és oldott anyagok szerepelnek. A tiszta szilárd anyagokat és a tiszta folyadékokat kihagyjuk, mert koncentrációjuk a jelen lévő mennyiségtől függetlenül állandó marad. A CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) reakció esetén a kifejezés egyszerűen K = [CO₂]. A két szilárd anyagot elhagyjuk.

Egy K-érték csak azon a hőmérsékleten érvényes, amelyen meghatározták. A hőmérséklet megváltoztatása magát a K-értéket is megváltoztatja. A nyomás és a katalizátorok megváltoztatják, milyen gyorsan éri el a reakció az egyensúlyt, de egyik sem módosítja K értékét.

Az egyensúlyi állandók típusai

A vegyészek különböző jelöléseket használnak attól függően, hogy mit mérnek.

• Kc: a mol/L-ben kifejezett koncentrációkon alapul. Ezt számítja ki a fenti kalkulátor.
• Kp: a gázok parciális nyomásán alapul, és a Kc-hez a Kp = Kc(RT)^Δn összefüggéssel kapcsolódik.
• Ka és Kb: azt írják le, hogy egy gyenge sav vagy gyenge bázis milyen mértékben disszociál vízben.
• Ksp: azt írja le, hogy egy szilárd anyagból mennyi oldódik fel vízben; ezt oldhatósági szorzatnak nevezik.

Mindegyik ugyanazt a szabályt követi: a termékek a reagensek fölött szerepelnek, és mindegyiket a hozzá tartozó együttható hatványára emeljük.

A kalkulátor használata

Válassza ki, hány reagens és hány termék szerepel a reakcióban, legfeljebb öt-öt. Minden anyaghoz adja meg a mol/L-ben kifejezett koncentrációt és a rendezett egyenletben szereplő együtthatót. A kalkulátor automatikusan összeszorozza mindkét oldal tagjait, majd elvégzi az osztást.

Minden koncentrációnak nullánál nagyobbnak, minden együtthatónak pedig 1 vagy annál nagyobb egész számnak kell lennie. Ha mást ad meg, a mező hibát jelez, és nem jelenik meg eredmény. A 0,001 és 1000 közötti eredmények négy tizedesjeggyel jelennek meg, például 8,0000. A 1000 feletti vagy a 0,001 alatti értékek tudományos jelölésre váltanak, így a 12 340 érték 1.2340e+4 formában jelenik meg.

K-t mértékegység nélküli egyszerű számként adjuk meg. A vegyészek általában minden koncentrációt 1 mol/L standardhoz viszonyítanak a számítás előtt, így a mértékegységek kiesnek.

Gyakori hiba, hogy az egyensúlyi koncentrációk helyett a kiindulási koncentrációkat adják meg. Ekkor K helyett a reakcióhányadost, Q-t kapjuk. A Q ugyanazt a képletet használja, mint K, de a reakció bármely pontján kiszámítható, nem csak egyensúlyban. A Q és K összehasonlítása megmutatja, milyen irányban kell még eltolódnia a reakciónak: ha Q kisebb K-nál, a reakció a termékek felé halad; ha Q nagyobb K-nál, a reagensek felé halad.

Gyakran ismételt kérdések

Mit jelent a nagy vagy kis K-érték?

A 1-nél sokkal nagyobb K azt jelenti, hogy a reakció egyensúlyban a termékek képződésének kedvez. A 1-nél sokkal kisebb K a reagensek előnyben részesítését jelzi. A 1-hez közeli K azt jelenti, hogy mindkét oldal hasonló mennyiségben van jelen.

Miért hagyjuk ki a szilárd anyagokat és a folyadékokat a K-kifejezésből?

Mert koncentrációjuk nem változik. Egy szilárd anyagtömb sűrűsége ugyanaz marad, akár nagy, akár kicsi, ezért a figyelembevétele csak egy állandóval szorozná meg K-t, ami nem változtatná meg.

Megváltoztatja a hőmérséklet K értékét?

Igen. A hőmérséklet emelése növeli K-t endoterm reakciók esetén, és csökkenti exoterm reakciók esetén. Egy K-érték csak azon a hőmérsékleten érvényes, amelyen meghatározták.

Megváltoztatja a nyomás vagy a katalizátor K értékét?

Nem. A katalizátor felgyorsítja az egyensúly elérését, de magát az egyensúlyt nem tolja el. A nyomás megváltoztathatja a gázok egyensúlyi koncentrációját, de az új koncentrációkból kiszámított K ugyanaz marad.

Lehet K negatív?

Nem. K koncentrációkból származik, amelyeket pozitív egész számú kitevőre emelünk, ezért K mindig pozitív. A kalkulátor elutasítja a nullával egyenlő vagy annál kisebb koncentrációt, és szám helyett hibát jelez.

Mi a különbség K és Q között?

K egy reakciót akkor ír le, amikor az eléri az egyensúlyt. A Q ugyanazt a képletet használja, de a koncentrációkkal bármely más időpontban számol. A Q és K összehasonlítása előre jelzi, milyen irányban tolódik el legközelebb a reakció.

Története

A norvég vegyészek, Cato Guldberg és Peter Waage 1864-ben fogalmazták meg a tömeghatás törvényét. Ez vezetett a ma használt egyensúlyiállandó-kifejezéshez. Jacobus van 't Hoff holland vegyész később kidolgozta, hogyan függ K a hőmérséklettől; kutatásai részben hozzájárultak ahhoz, hogy 1901-ben elnyerje az első kémiai Nobel-díjat.