Reakcijos Kvotiento Skaičiuoklė - Nemokamas Q Verčių Skaičiavimas

Kas yra reakcijos koeficiento skaičiuoklė?

Reakcijos koeficiento skaičiuoklė nustato Q vertę — skaičių, kuris palygina produkto kiekį su reagento kiekiu cheminėje reakcijoje bet kuriuo momentu. Ji skirta reakcijoms, kuriose yra ne daugiau kaip trys reagentai ir trys produktai. Įveskite kiekvienos medžiagos stechiometrinį koeficientą (jos skaičių subalansuotoje lygtyje) ir molinę koncentraciją, o skaičiuoklė pateiks Q kartu su formule ir į ją įrašytomis vertėmis.

Kas yra reakcijos koeficientas (Q)?

Reakcijos koeficientas yra produktų koncentracijų ir reagentų koncentracijų santykis, kai kiekviena koncentracija pakeliama laipsniu, lygiu jos koeficientui subalansuotoje lygtyje. Jį galima apskaičiuoti bet kuriuo reakcijos metu, ne tik pasiekus pusiausvyrą. Palyginus Q su pusiausvyros konstanta K, galima nustatyti, kuria kryptimi vyksta reakcija.

Reakcijos koeficiento formulė

Bendrajai reakcijai

$aA + bB \rightarrow cC + dD$

reakcijos koeficientas yra

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

Čia [A], [B], [C] ir [D] yra molinės koncentracijos (mol/l), o a, b, c ir d — sveikieji koeficientai iš subalansuotos lygties. Skaičiuoklė tą pačią taisyklę pateikia bendrąja forma: Q = (∏[Produktai]^ν) / (∏[Reagentai]^ν), kur ∏ reiškia „sudauginti visus narius“, o ν žymi kiekvienos medžiagos koeficientą. Grynosios kietosios medžiagos ir grynieji skysčiai į reiškinį neįtraukiami, nes jų koncentracijos reakcijos metu nekinta.

Kaip apskaičiuoti reakcijos koeficientą

1. Užrašykite subalansuotą cheminę lygtį.
2. Nurodykite kiekvieno reagento ir produkto koeficientą.
3. Nustatykite kiekvienos medžiagos koncentraciją mol/l dominančiu momentu.
4. Pakelkite kiekvieną koncentraciją laipsniu, lygiu jos koeficientui.
5. Skaitiklyje sudauginkite produkto narius, o vardiklyje — reagento narius.
6. Padalykite skaitiklį iš vardiklio.

Išspręstas pavyzdys

Panagrinėkime reakciją, kurios metu susidaro amoniakas:

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

Tarkime, kad koncentracijos yra $[N_2] = 0.5\text{ M}$, $[H_2] = 0.2\text{ M}$ ir $[NH_3] = 0.1\text{ M}$.

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

Šiuo reakcijos momentu Q lygus 2,5.

Q ir pusiausvyros konstanta (K)

Q ir K apskaičiuojami pagal tą pačią formulę, tačiau K yra tokia Q vertė, kuri nusistovi, kai reakcija nustoja kisti ir pasiekiama pusiausvyra esant pastoviai temperatūrai. Palyginus šiuos dydžius galima numatyti, kuria kryptimi pasislinks reakcija:

• Q < K: reakcija vyksta pirmyn, susidaro daugiau produkto.
• Q = K: reakcija yra pusiausvyroje; koncentracijos nustoja kisti.
• Q > K: reakcija vyksta atgal, susidaro daugiau reagento.

Nulinės ir neapibrėžtos Q vertės

Jei produkto koncentracija lygi nuliui, o visos reagentų koncentracijos yra didesnės už nulį, skaitiklis lygus nuliui, todėl Q lygus 0. Tai būdinga reakcijos pradžiai, kol dar susidarė nedaug produkto.

Jei bent vieno reagento koncentracija lygi nuliui, vardiklis lygus nuliui ir Q matematiškai neapibrėžtas. Skaičiuoklė šį atvejį pažymi įspėjimu ir rodo rezultatą ∞, nes santykis neribotai didėja, kai reagento koncentracija artėja prie nulio.

Jei ir reagento, ir produkto koncentracijos lygios nuliui, santykis yra 0 padalyta iš 0, todėl neturi vienos apibrėžtos vertės. Skaičiuoklė pirmiausia taiko nulinės reagento koncentracijos taisyklę, todėl rodo ∞ ir įspėjimą.

Reakcijos koeficiento taikymas

Chemikai naudoja Q tam, kad numatytų, kuria kryptimi pasislinks reakcija pasikeitus koncentracijoms; ši idėja susijusi su Le Šateljė principu: pridėjus daugiau reagento, Q sumažėja ir tampa mažesnis už K, todėl reakcija pasislenka pirmyn, kol Q vėl padidėja iki K. Q taip pat naudojamas Nernsto lygtyje, $E = E^\circ - \frac{RT}{nF}\ln Q$, kuri sieja elektrocheminio elemento įtampą su jame esančių medžiagų koncentracijomis, ir ryšyje tarp laisvosios energijos bei reakcijos eigos, $\Delta G = \Delta G^\circ + RT\ln Q$. Pramonės chemikai stebi Q, kad įvertintų, kiek procesas nutolęs nuo pusiausvyros, ir pakoreguotų sąlygas siekdami didesnės išeigos.

Istorija

Norvegų chemikai Cato Guldbergas ir Peteris Waage'as masių veikimo dėsnį pasiūlė 1864 m., teigdami, kad reakcijų greitis priklauso nuo reaguojančių medžiagų koncentracijų. Ši idėja paskatino pusiausvyros konstantos K atsiradimą. Vėliau J. Willardas Gibbsas susiejo cheminę pusiausvyrą su laisvąja energija 1870-aisiais, todėl Q tapo termodinamikos dalimi: reakcija vyksta ta kryptimi, kuria mažėja sistemos laisvoji energija, o Q parodo, kiek sistema nutolusi nuo laisvosios energijos minimumo, kurį reiškia K.

Kaip naudotis skaičiuokle

1. Pasirinkite reagentų skaičių (nuo 1 iki 3) ir produktų skaičių (nuo 1 iki 3).
2. Kiekvienai medžiagai įveskite jos koeficientą iš subalansuotos lygties. Koeficientai turi būti sveikieji skaičiai, ne mažesni kaip 1.
3. Įveskite kiekvienos medžiagos koncentraciją mol/l. Koncentracija turi būti lygi nuliui arba teigiamas skaičius.
4. Rezultatų skiltyje peržiūrėkite Q vertę, formulę ir į ją įrašytus skaičius.

Dažnai užduodami klausimai

Kuo skiriasi Q ir K? Jie apskaičiuojami pagal tą pačią formulę. Q galima rasti bet kuriuo reakcijos metu, o K yra tokia Q vertė, kuri nusistovi reakcijai pasiekus pusiausvyrą esant tam tikrai temperatūrai.

Ar Q gali būti lygus nuliui? Taip. Jei produkto koncentracija lygi nuliui, o visų reagentų koncentracijos yra didesnės už nulį, Q reiškinio skaitiklis lygus nuliui, todėl Q lygus nuliui.

Ar Q gali būti neapibrėžtas? Taip. Jei bent vieno reagento koncentracija lygi nuliui, vardiklis lygus nuliui, todėl griežtai matematiniu požiūriu Q yra neapibrėžtas. Skaičiuoklė šį atvejį rodo kaip ∞ ir pateikia įspėjimą.

Ar temperatūra turi įtakos Q? Temperatūra tiesiogiai neįeina į Q formulę, tačiau ji keičia K ir gali pakeisti Q apskaičiuoti naudojamas koncentracijas. Q reikia lyginti su tokia K verte, kuri išmatuota toje pačioje temperatūroje.

Ar kietosios medžiagos ir skysčiai įtraukiami į Q reiškinį? Ne. Grynosios kietosios medžiagos ir grynieji skysčiai neįtraukiami, nes jų koncentracijos reakcijos metu išlieka pastovios. Įtraukiamos tik ištirpusios ir dujinės medžiagos.

Kodėl koncentracijos keliamos laipsniu? Laipsnis atitinka kiekvienos medžiagos koeficientą subalansuotoje lygtyje, kaip nustatyta masių veikimo dėsniu. Reakcijoje 2 A → B, padvigubinus [A], reagento narys padidėja keturis kartus (2²), nes kiekvienam susidariusiam B moliui sureaguoja du A moliai.

Šaltiniai

1. Atkins, P. W. ir de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (10-asis leidimas). Oxford University Press.
2. Chang, R. ir Goldsby, K. A. (2015). Chemija (12-asis leidimas). McGraw-Hill Education.
3. Petrucci, R. H., Herring, F. G., Madura, J. D. ir Bissonnette, C. (2016). Bendroji chemija: principai ir šiuolaikiniai taikymai (11-asis leidimas). Pearson.
4. Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P. M. ir Stoltzfus, M. W. (2017). Chemija: pagrindinis mokslas (14-asis leidimas). Pearson.