Evenwichtsconstante Calculator (K) - Bereken Kc voor Chemische Reacties

Wat is een evenwichtsconstante?

Een reactie die zowel voorwaarts als in omgekeerde richting kan verlopen, is een reversibele reactie. Er wordt een evenwicht bereikt wanneer de heen- en terugreactie met dezelfde snelheid verlopen, waardoor de hoeveelheden van elke stof niet meer veranderen. De evenwichtsconstante (K) is een getal dat de hoeveelheid product vergelijkt met de hoeveelheid reactant op dat moment. Deze calculator berekent K uit de concentraties en coëfficiënten die u invoert.

Formule voor de evenwichtsconstante

Voor een gebalanceerde reactievergelijking:

$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$

is de uitdrukking voor de evenwichtsconstante:

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

Producten staan in de teller en reactanten in de noemer. De vierkante haken betekenen „concentratie in mol per liter (mol/L)”. Elke concentratie wordt verheven tot de macht van de bijbehorende coëfficiënt uit de gebalanceerde vergelijking.

De evenwichtsconstante berekenen

1. Schrijf de gebalanceerde reactievergelijking op en noteer elke coëfficiënt.
2. Bepaal elke concentratie bij het evenwicht, niet aan het begin van de reactie.
3. Verhef elke concentratie tot de macht van de bijbehorende coëfficiënt.
4. Vermenigvuldig de producttermen met elkaar en de reactanttermen met elkaar, en deel vervolgens het eerste resultaat door het tweede.

Voorbeeld: vorming van waterstofjodide

De reactie H₂ + I₂ ⇌ 2HI bereikt in een afgesloten vat het evenwicht. Stel dat de evenwichtsconcentraties als volgt zijn:

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

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

K is hier een gematigd getal, dus bij het evenwicht blijven meetbare hoeveelheden van zowel reactanten als producten aanwezig.

Voorbeeld: ammoniaksynthese (Haber-proces)

Bij de reactie N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ ontstaat ammoniak voor kunstmest. Stel dat de volgende evenwichtsconcentraties zijn gemeten:

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

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

De coëfficiënt 3 van H₂ wordt in de formule een exponent 3. Een K-waarde groter dan 100 betekent dat de reactie onder deze omstandigheden de vorming van producten bevoordeelt.

Wat wordt opgenomen in de evenwichtsuitdrukking

Alleen gassen en opgeloste stoffen komen in K voor. Zuivere vaste stoffen en zuivere vloeistoffen worden weggelaten, omdat hun concentratie hetzelfde blijft, ongeacht hoeveel ervan aanwezig is. Voor de reactie CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) is de uitdrukking simpelweg K = [CO₂]. De twee vaste stoffen worden weggelaten.

Een K-waarde geldt alleen bij de temperatuur waarbij deze is gemeten. Als de temperatuur verandert, verandert K zelf. Druk en katalysatoren veranderen de snelheid waarmee een reactie het evenwicht bereikt, maar geen van beide verandert de waarde van K.

Soorten evenwichtsconstanten

Chemici gebruiken verschillende aanduidingen, afhankelijk van wat er wordt gemeten.

• Kc: gebaseerd op concentraties in mol/L. Dit berekent de bovenstaande calculator.
• Kp: gebaseerd op de partiële drukken van gassen, en gerelateerd aan Kc via Kp = Kc(RT)^Δn.
• Ka en Kb: beschrijven in hoeverre een zwak zuur of een zwakke base in water uiteenvalt.
• Ksp: beschrijft hoeveel van een vaste stof in water oplost; dit heet het oplosbaarheidsproduct.

Voor elk geldt dezelfde regel: producten boven reactanten, waarbij elke term wordt verheven tot de macht van de bijbehorende coëfficiënt.

De calculator gebruiken

Kies hoeveel reactanten en producten de reactie heeft, tot maximaal vijf van elk. Voer voor elke stof de concentratie in mol/L en de coëfficiënt uit de gebalanceerde reactievergelijking in. De calculator werkt beide zijden uit en voert de deling automatisch uit.

Elke concentratie moet groter zijn dan nul en elke coëfficiënt moet een geheel getal van 1 of groter zijn. Als u iets anders invoert, wordt het veld als fout gemarkeerd en wordt geen resultaat weergegeven. Resultaten tussen 0,001 en 1000 worden met vier decimalen weergegeven, bijvoorbeeld 8,0000. Waarden boven 1000 of onder 0,001 worden in wetenschappelijke notatie weergegeven; zo wordt 12.340 weergegeven als 1.2340e+4.

K wordt weergegeven als een gewoon getal zonder eenheid. Chemici vergelijken elke concentratie vóór de berekening doorgaans met een standaard van 1 mol/L, waardoor de eenheden tegen elkaar wegvallen.

Een veelgemaakte fout is het invoeren van beginconcentraties in plaats van evenwichtsconcentraties. Dat levert het reactiequotiënt Q op, in plaats van K. Q gebruikt dezelfde formule als K, maar kan op elk moment tijdens de reactie worden berekend, niet alleen bij het evenwicht. Door Q met K te vergelijken, wordt duidelijk in welke richting de reactie nog moet verschuiven: als Q kleiner is dan K, verloopt de reactie in de richting van de producten; als Q groter is dan K, verloopt zij in de richting van de reactanten.

Veelgestelde vragen

Wat betekent een grote of kleine K-waarde?

Een K die veel groter is dan 1 betekent dat de reactie bij het evenwicht de producten bevoordeelt. Een K die veel kleiner is dan 1 betekent dat de reactie de reactanten bevoordeelt. Een K in de buurt van 1 betekent dat beide kanten in vergelijkbare hoeveelheden aanwezig zijn.

Waarom worden vaste stoffen en vloeistoffen weggelaten uit de K-uitdrukking?

Omdat hun concentratie niet verandert. Een blok van een vaste stof heeft dezelfde dichtheid, of het nu groot of klein is. Opnemen ervan zou K alleen met een constante vermenigvuldigen, en die verandert nooit.

Verandert de temperatuur K?

Ja. Als de temperatuur stijgt, neemt K toe voor reacties die warmte opnemen en neemt K af voor reacties die warmte afgeven. Een K-waarde is alleen geldig bij de temperatuur waarvoor deze is bepaald.

Veranderen druk of een katalysator K?

Nee. Een katalysator versnelt de snelheid waarmee een reactie het evenwicht bereikt, maar verplaatst het evenwicht zelf niet. Druk kan de concentraties van gassen bij het evenwicht veranderen, maar K, berekend met die nieuwe concentraties, blijft hetzelfde.

Kan K negatief zijn?

Nee. K wordt berekend uit concentraties, die altijd positief zijn, verheven tot positieve gehele machten. K is daarom altijd positief. De calculator weigert een concentratie van nul of minder en toont in plaats daarvan een foutmelding.

Wat is het verschil tussen K en Q?

K beschrijft een reactie nadat deze het evenwicht heeft bereikt. Q gebruikt dezelfde formule, maar werkt met concentraties op elk ander moment. Door Q met K te vergelijken, kan worden voorspeld in welke richting een reactie vervolgens zal verschuiven.

Geschiedenis

De Noorse chemici Cato Guldberg en Peter Waage stelden in 1864 de wet van de massawerking voor. Deze leidde tot de uitdrukking voor de evenwichtsconstante die tegenwoordig wordt gebruikt. De Nederlandse chemicus Jacobus van 't Hoff werkte later uit hoe K van de temperatuur afhangt. Dit onderzoek vormde een deel van het werk waarvoor hij in 1901 de eerste Nobelprijs voor Scheikunde ontving.