Reactiequotiënt Calculator - Bereken Q-waarden Gratis

Wat is een rekenmachine voor het reactiequotiënt?

Een rekenmachine voor het reactiequotiënt bepaalt de waarde van Q, een getal dat de hoeveelheid product vergelijkt met de hoeveelheid reactant in een chemische reactie op een bepaald moment. De rekenmachine werkt voor reacties met maximaal drie reactanten en drie producten. Voer de stoichiometrische coëfficiënt van elke soort (het getal ervan in de gebalanceerde vergelijking) en de molaire concentratie in; de rekenmachine geeft Q terug, samen met de formule en de ingevulde waarden.

Wat is het reactiequotiënt (Q)?

Het reactiequotiënt is de verhouding van de productconcentraties tot de reagensconcentraties, waarbij elke concentratie wordt verheven tot de macht van de bijbehorende coëfficiënt in de gebalanceerde vergelijking. Het kan op elk moment tijdens een reactie worden berekend, niet alleen bij evenwicht. Door Q te vergelijken met de evenwichtsconstante K wordt duidelijk in welke richting de reactie verloopt.

Formule voor het reactiequotiënt

Voor een algemene reactie

$aA + bB \rightarrow cC + dD$

het reactiequotiënt is

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

Hier zijn [A], [B], [C] en [D] molaire concentraties (mol/L), en a, b, c en d zijn de gehele coëfficiënten uit de gebalanceerde vergelijking. De rekenmachine geeft dezelfde regel in algemene vorm weer als Q = (∏[Producten]^ν) / (∏[Reagentia]^ν), waarbij ∏ betekent "alle termen met elkaar vermenigvuldigen" en ν staat voor de coëfficiënt van elke soort. Zuivere vaste stoffen en zuivere vloeistoffen worden uit de uitdrukking weggelaten, omdat hun concentraties tijdens de reactie niet veranderen.

Zo berekent u het reactiequotiënt

1. Schrijf de gebalanceerde chemische vergelijking op.
2. Noteer de coëfficiënt van elk reagens en product.
3. Bepaal de concentratie van elke soort, in mol/L, op het relevante moment.
4. Verhef elke concentratie tot de macht van de bijbehorende coëfficiënt.
5. Vermenigvuldig de producttermen met elkaar voor de teller en de reagentia-termen met elkaar voor de noemer.
6. Deel de teller door de noemer.

Uitgewerkt voorbeeld

Neem de reactie waarin ammoniak wordt gevormd:

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

Stel dat de concentraties $[N_2] = 0.5\text{ M}$, $[H_2] = 0.2\text{ M}$ en $[NH_3] = 0.1\text{ M}$ zijn.

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

Q is op dit moment in de reactie gelijk aan 2,5.

Q versus de evenwichtsconstante (K)

Q en K gebruiken dezelfde formule, maar K is de waarde die Q aanneemt zodra de reactie bij een vaste temperatuur niet meer verandert, dus bij evenwicht. Door de twee waarden te vergelijken, kan worden voorspeld in welke richting een reactie verschuift:

• Q < K: de reactie verloopt voorwaarts, waardoor meer product ontstaat.
• Q = K: de reactie is in evenwicht; de concentraties veranderen niet meer.
• Q > K: de reactie verloopt omgekeerd, waardoor meer reagens ontstaat.

Nulwaarden en ongedefinieerde waarden van Q

Als de concentratie van een product nul is en elke reagensconcentratie groter is dan nul, is de teller nul en is Q gelijk aan 0. Dit komt vaak voor aan het begin van een reactie, voordat zich veel product heeft gevormd.

Als de concentratie van een reagens nul is, is de noemer nul en is Q wiskundig ongedefinieerd. De rekenmachine markeert dit geval met een waarschuwing en toont het resultaat als ∞, omdat de verhouding onbeperkt toeneemt naarmate de reagensconcentratie nul nadert.

Als zowel een reagens als een product nul zijn, is de verhouding 0 gedeeld door 0, wat geen eenduidige waarde heeft. De rekenmachine past eerst de regel voor een nulconcentratie van een reagens toe en toont daarom ∞ met de waarschuwing.

Toepassingen van het reactiequotiënt

Chemici gebruiken Q om te voorspellen in welke richting een reactie verschuift wanneer concentraties veranderen. Dit houdt verband met het principe van Le Chatelier: door meer reagens toe te voegen daalt Q tot onder K, waarna de reactie voorwaarts verschuift totdat Q weer tot K stijgt. Q komt ook voor in de vergelijking van Nernst, $E = E^\circ - \frac{RT}{nF}\ln Q$, die de spanning van een elektrochemische cel in verband brengt met de concentraties van de betrokken soorten, en in de relatie tussen vrije energie en het verloop van de reactie, $\Delta G = \Delta G^\circ + RT\ln Q$. Industriële chemici volgen Q om te beoordelen hoe ver een proces van evenwicht verwijderd is en om de omstandigheden aan te passen voor een betere opbrengst.

Geschiedenis

De Noorse chemici Cato Guldberg en Peter Waage stelden in 1864 de wet van de massawerking voor. Volgens deze wet hangen reactiesnelheden af van de concentraties van de reagerende stoffen. Dit idee leidde tot de evenwichtsconstante K. J. Willard Gibbs bracht chemisch evenwicht later, in de jaren 1870, in verband met vrije energie. Daardoor kreeg Q een plaats in de thermodynamica: een reactie verloopt in de richting waarin de vrije energie van het systeem daalt, en Q meet hoe ver het systeem verwijderd is van het door K weergegeven minimum van de vrije energie.

De calculator gebruiken

1. Kies het aantal reagentia (1 tot 3) en producten (1 tot 3).
2. Voer voor elke soort de coëfficiënt uit de gebalanceerde vergelijking in. Coëfficiënten moeten gehele getallen van 1 of hoger zijn.
3. Voer de concentratie van elke soort in mol/L in. Concentraties moeten nul of een positief getal zijn.
4. Lees de waarde van Q af, samen met de formule en de ingevulde getallen, in het resultatengedeelte.

Veelgestelde vragen

Wat is het verschil tussen Q en K? Ze worden met dezelfde formule berekend. Q kan op elk moment tijdens een reactie worden bepaald; K is de waarde van Q zodra de reactie bij een bepaalde temperatuur het evenwicht bereikt.

Kan Q nul zijn? Ja. Als een product een concentratie van nul heeft terwijl elke reagensconcentratie groter is dan nul, is de teller van de Q-uitdrukking nul en is Q dus nul.

Kan Q ongedefinieerd zijn? Ja. Als een reagens een concentratie van nul heeft, is de noemer nul, waardoor Q strikt wiskundig gezien ongedefinieerd is. De rekenmachine geeft dit geval weer als ∞ en toont een waarschuwing.

Heeft temperatuur invloed op Q? Temperatuur komt niet rechtstreeks voor in de formule van Q, maar verandert K en kan de concentraties veranderen die in Q worden gebruikt. Vergelijk Q met een waarde van K die bij dezelfde temperatuur is gemeten.

Komen vaste stoffen en vloeistoffen voor in de Q-uitdrukking? Nee. Zuivere vaste stoffen en zuivere vloeistoffen worden weggelaten, omdat hun concentraties tijdens de reactie constant blijven. Alleen opgeloste en gasvormige soorten worden opgenomen.

Waarom worden concentraties tot een macht verheven? De macht komt overeen met de coëfficiënt van elke soort in de gebalanceerde vergelijking, volgens de wet van de massawerking. In de reactie 2 A → B zorgt een verdubbeling van [A] ervoor dat de reactantterm met een factor vier toeneemt (2²), omdat er voor elke gevormde mol B twee mol A reageren.

Referenties

1. Atkins, P. W., & de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (10e editie). Oxford University Press.
2. Chang, R., & Goldsby, K. A. (2015). Chemistry (12e ed.). McGraw-Hill Education.
3. Petrucci, R. H., Herring, F. G., Madura, J. D., & Bissonnette, C. (2016). General Chemistry: Principles and Modern Applications (11e ed.). Pearson.
4. Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P. M., & Stoltzfus, M. W. (2017). Chemistry: The Central Science (14e ed.). Pearson.