Kp Kalkulators - Aprēķiniet Līdzsvara Konstantas Gāzu Reakcijām

Kas ir Kp?

Kp ir ķīmiskās reakcijas, kas notiek starp gāzēm, līdzsvara konstante, kas izteikta ar parciālajiem spiedieniem. Kp kalkulators no līdzsvarota vienādojuma ņem parciālos spiedienus un koeficientus un aprēķina šo skaitli. Ja Kp ir lielāks par 1, līdzsvars ir nobīdīts produktu virzienā. Ja Kp ir mazāks par 1, tas ir nobīdīts izejvielu virzienā.

Ķīmiķi izmanto Kp, nevis uz koncentrāciju balstīto konstanti Kc, kad spiediens ir dabisks veids, kā izmērīt gāzes daudzumu, piemēram, rūpnieciskajos reaktoros vai atmosfērā.

Kp formula

Vispārīgai reakcijai

$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$

līdzsvara konstante ir

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

Katrs parciālais spiediens ($P$) tiek kāpināts pakāpē, kas vienāda ar tā stehiometrisko koeficientu (skaitli, kas līdzsvarotajā vienādojumā atrodas pirms attiecīgās vielas). Produktus raksta skaitītājā, bet izejvielas — saucējā.

Jāievēro daži noteikumi:

• Spiedienam jābūt lielākam par nulli. Šis kalkulators spiediena lauku norāda atmosfērās (atm). Var izmantot arī citu mērvienību, ja vienā aprēķinā visām vielām izmanto to pašu mērvienību.
• Koeficientiem jābūt lielākiem par nulli. Parasti tie ir veseli skaitļi, taču ir pieļaujama arī daļa. Veidošanās vienādojumā H₂(g) + ½O₂(g) ⇌ H₂O(g) tiek izmantots ½, un kalkulators šajā laukā pieņem 0,5.
• Tīras cietās vielas un šķidrumus izteiksmē neiekļauj, jo to aktivitāte ir nemainīga un vienāda ar 1. Reakcijai CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) izteiksmē parādās tikai CO₂ spiediens, tāpēc $K_p = P_{CO_2}$.
• Kp ir derīga tikai vienā temperatūrā. Temperatūras maiņa maina Kp, bet kopējā spiediena maiņa to nemaina.
• Kp mērvienība ir atkarīga no Δn, kas ir radušos gāzes molu skaits mīnus patērēto gāzes molu skaits. Kp mērvienības ir spiediena mērvienība, kas kāpināta Δn pakāpē. Ja Δn ir 0, mērvienības saīsinās un Kp ir vienkāršs skaitlis. Ķīmiķi parasti Kp norāda kā vienkāršu skaitli, vispirms katru spiedienu dalot ar standarta spiedienu 1 bar.

Kp ir saistīta ar Kc, uz koncentrāciju balstīto līdzsvara konstanti, ar sakarību

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

kur $R = 0.0821$ L·atm/(mol·K), $T$ ir temperatūra kelvinos, bet $\Delta n$ ir gāzveida produktu molu skaits mīnus gāzveida izejvielu molu skaits. Ja $\Delta n = 0$, Kp un Kc skaitliski ir vienādas.

Kā aprēķināt Kp ar šo rīku

1. Norādiet izejvielas. Katrai no tām ievadiet ķīmisko formulu (pēc izvēles, uzziņai), stehiometrisko koeficientu no līdzsvarotā vienādojuma un parciālo spiedienu līdzsvarā. Ja vienādojumā ir vairāk nekā viena izejviela, pievienojiet rindas ar pogu “Pievienot izejvielu”.
2. Norādiet produktus tādā pašā veidā, papildu rindām izmantojot “Pievienot produktu”.
3. Nolasiet rezultātu. Kalkulators katru spiedienu kāpina tā koeficienta pakāpē, sareizina produktu locekļus, sareizina izejvielu locekļus un veic dalīšanu. Kp vērtība tiek atjaunināta, tiklīdz katrā laukā ir ievadīts skaitlis. Atsevišķas aprēķina pogas nav. “Atiestatīt” atjauno veidlapu ar vienu izejvielu un vienu produktu.

Ja kāds lauks ir atstāts tukšs, rīks pieprasa vērtību, nevis to min. Ja koeficients vai spiediens ir nulle vai negatīvs, rīks skaitļa vietā parāda brīdinājumu.

Ļoti mazi rezultāti (mazāki par 0,001) vai ļoti lieli rezultāti (lielāki par 10 000) tiek parādīti zinātniskajā pierakstā, piemēram, 2.5000e-6. Pārējie rezultāti tiek parādīti kā decimālskaitļi.

Aprēķina piemērs: amonjaka sintēze

Hābera process no slāpekļa un ūdeņraža ražo amonjaku:

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

Pieņemsim, ka reakcijas traukā līdzsvara parciālie spiedieni ir šādi:

• $P_{N_2} = 0.5$ atm (koeficients 1)
• $P_{H_2} = 0.2$ atm (koeficients 3)
• $P_{NH_3} = 0.8$ atm (koeficients 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, kas ir 160, nozīmē, ka līdzsvara maisījumā ir daudz vairāk amonjaka nekā slāpekļa un ūdeņraža.

Otrs piemērs: ūdensgāzes konversijas reakcija

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

Ja $P_{CO} = 0.1$ atm, $P_{H_2O} = 0.2$ atm, $P_{CO_2} = 0.4$ atm un $P_{H_2} = 0.3$ atm un visi koeficienti ir vienādi ar 1:

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

Kāpēc Kp ir svarīga

Kp salīdzināšana ar reakcijas kvocientu Q (kas aprēķināts, izmantojot spiedienus, kuri vēl nav līdzsvara stāvoklī) ļauj prognozēt, kurā virzienā reakcija nobīdīsies. Ja Q ir mazāks par Kp, reakcija veido vairāk produkta. Ja Q ir lielāks par Kp, tā veido vairāk izejvielu.

Rūpnieciskie procesi uz to balstās. Hābera–Boša process amonjaka ražošanai un kontaktprocess sērskābes ražošanai tiek veikti temperatūrā un spiedienā, kas izvēlēti, izmantojot Kp datus, līdzsvarojot iznākumu un reakcijas ātrumu. Kp izmanto arī atmosfēras līdzsvaru modelēšanai, piemēram, lai aprakstītu, kā sēra dioksīds skābā lietus veidošanās laikā pārvēršas par sēra trioksīdu.

Biežāk uzdotie jautājumi

Kāda ir atšķirība starp Kp un Kc? Kp izmanto parciālos spiedienus, bet Kc — molāro koncentrāciju. Tās raksturo to pašu gāzveida līdzsvaru un ir saistītas ar $K_p = K_c(RT)^{\Delta n}$.

Vai kopējā spiediena maiņa maina Kp? Nē. Kp ir atkarīga tikai no temperatūras. Spiediena maiņa nobīda līdzsvara stāvokli — mainās atsevišķie parciālie spiedieni —, bet pati Kp vērtība nemainās, ja temperatūra ir nemainīga.

Vai Kp var būt negatīva vai vienāda ar nulli? Nē. Kp ir pozitīvu spiedienu attiecība, kur spiedieni kāpināti pozitīvās pakāpēs, tāpēc tā vienmēr ir pozitīva. Reakcijai, kas norisinās tikai nedaudz, Kp ir tuva nullei, bet nekad nav vienāda ar nulli.

Kāpēc Kp izteiksmē neparādās cietās vielas un šķidrumi? Tīrai cietai vielai vai šķidrumam ir nemainīgs sastāvs, kas reakcijas laikā nemainās, tāpēc tā aktivitāte pēc definīcijas ir 1 un matemātiski izkrīt no attiecības.

Ko nozīmē Kp = 1? Produktu loceklis un izejvielu loceklis izteiksmē ir vienādi. Tas nenozīmē, ka atsevišķie spiedieni ir vienādi, jo koeficienti ietekmē aprēķinu.

Kad jāņem vērā reālu (neideālu) gāzu uzvedība? Ja spiediens ir mazāks par aptuveni 10 atm, lielākā daļa gāzu standarta Kp aprēķiniem uzvedas pietiekami tuvu ideālām gāzēm. Pie lielāka spiediena izmērītā spiediena vietā parasti izmanto fugacitāti (efektīvu spiedienu, kas ņem vērā starpmolekulāros spēkus).

Atsauces

1. Atkins, P. W. un De Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (10. izd.). Oxford University Press.
2. Chang, R., & Goldsby, K. A. (2015). Chemistry (12. izdevums). McGraw-Hill Education.
3. IUPAC (2014). Compendium of Chemical Terminology (“Zelta grāmata”).