Reaksjonskvotient Kalkulator - Beregn Q-verdier Gratis

Hva er en kalkulator for reaksjonskvotienten?

En kalkulator for reaksjonskvotienten finner verdien av Q, et tall som sammenligner mengden produkt med mengden reaktant i en kjemisk reaksjon på et hvilket som helst tidspunkt. Den fungerer for reaksjoner med opptil tre reaktanter og tre produkter. Angi støkiometrisk koeffisient for hver kjemiske art (tallet i den balanserte ligningen) og molarkonsentrasjonen, så returnerer kalkulatoren Q sammen med formelen og de innsatte verdiene.

Hva er reaksjonskvotienten (Q)?

Reaksjonskvotienten er forholdet mellom produktkonsentrasjonene og reaktantkonsentrasjonene, der hver konsentrasjon opphøyes i potensen som tilsvarer koeffisienten i den balanserte ligningen. Den kan beregnes på ethvert tidspunkt under en reaksjon, ikke bare ved likevekt. Ved å sammenligne Q med likevektskonstanten K ser man hvilken vei reaksjonen går.

Formel for reaksjonskvotienten

For en generell reaksjon

$aA + bB \rightarrow cC + dD$

reaksjonskvotienten er

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

Her er [A], [B], [C] og [D] molarkonsentrasjoner (mol/L), mens a, b, c og d er heltallskoeffisientene fra den balanserte ligningen. Kalkulatoren viser den samme regelen på generell form som Q = (∏[produkter]^ν) / (∏[reaktanter]^ν), der ∏ betyr «multipliser alle leddene med hverandre», og ν står for koeffisienten til hver kjemiske art. Rene faste stoffer og rene væsker utelates fra uttrykket, siden konsentrasjonene deres ikke endres under reaksjonen.

Slik beregnes reaksjonskvotienten

1. Skriv den balanserte kjemiske ligningen.
2. Noter koeffisienten til hver reaktant og hvert produkt.
3. Finn konsentrasjonen til hver kjemiske art, i mol/L, på det aktuelle tidspunktet.
4. Opphøy hver konsentrasjon i potensen som tilsvarer koeffisienten.
5. Multipliser produktleddene med hverandre for telleren, og multipliser reaktantleddene med hverandre for nevneren.
6. Divider telleren med nevneren.

Regneeksempel

Betrakt reaksjonen som danner ammoniakk:

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

Anta at konsentrasjonene er $[N_2] = 0.5\text{ M}$, $[H_2] = 0.2\text{ M}$ og $[NH_3] = 0.1\text{ M}$.

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

Q er lik 2,5 på dette tidspunktet i reaksjonen.

Q sammenlignet med likevektskonstanten (K)

Q og K bruker samme formel, men K er verdien Q får når reaksjonen har sluttet å endre seg, ved likevekt og en fast temperatur. Ved å sammenligne de to kan man forutsi hvilken vei en reaksjon vil forskyves:

• Q < K: Reaksjonen går fremover og danner mer produkt.
• Q = K: Reaksjonen er i likevekt; konsentrasjonene slutter å endre seg.
• Q > K: Reaksjonen går i motsatt retning og danner mer reaktant.

Nullverdier og udefinerte verdier for Q

Hvis konsentrasjonen av et produkt er null og alle reaktantkonsentrasjonene er større enn null, er telleren null, slik at Q er lik 0. Dette er typisk nær begynnelsen av en reaksjon, før det er dannet mye produkt.

Hvis konsentrasjonen av en reaktant er null, er nevneren null, og Q er matematisk udefinert. Kalkulatoren markerer dette tilfellet med en advarsel og viser resultatet som ∞, siden forholdet vokser uten grense når reaktantkonsentrasjonen nærmer seg null.

Hvis en reaktant og et produkt begge er null, er forholdet 0 dividert med 0, noe som ikke har én entydig verdi. Kalkulatoren bruker regelen for null reaktant først, og viser derfor ∞ og advarselen.

Bruksområder for reaksjonskvotienten

Kjemikere bruker Q til å forutsi hvilken retning en reaksjon vil forskyves når konsentrasjonene endres, noe som henger sammen med Le Chateliers prinsipp: Når mer reaktant tilsettes, synker Q under K, slik at reaksjonen forskyves fremover til Q stiger tilbake til K. Q inngår også i Nernst-ligningen, $E = E^\circ - \frac{RT}{nF}\ln Q$, som knytter spenningen i en elektrokjemisk celle til konsentrasjonene av de involverte kjemiske artene, og i sammenhengen mellom fri energi og reaksjonsforløp, $\Delta G = \Delta G^\circ + RT\ln Q$. Industrikjemikere følger Q for å vurdere hvor langt en prosess er fra likevekt, og for å justere betingelsene slik at utbyttet blir bedre.

Historikk

De norske kjemikerne Cato Guldberg og Peter Waage foreslo massevirkningsloven i 1864. Den sier at reaksjonshastigheter avhenger av konsentrasjonene til stoffene som reagerer. Denne ideen førte til likevektskonstanten K. J. Willard Gibbs knyttet senere kjemisk likevekt til fri energi på 1870-tallet, noe som ga Q en plass i termodynamikken: En reaksjon går i den retningen som senker systemets frie energi, og Q måler hvor langt systemet er fra minimumet for fri energi som K representerer.

Slik bruker du kalkulatoren

1. Velg antallet reaktanter (1 til 3) og produkter (1 til 3).
2. Angi koeffisienten fra den balanserte ligningen for hver kjemiske art. Koeffisientene må være heltall på 1 eller større.
3. Angi konsentrasjonen til hver kjemiske art i mol/L. Konsentrasjonene må være null eller et positivt tall.
4. Les av verdien av Q, sammen med formelen og de innsatte tallene, i resultatdelen.

Ofte stilte spørsmål

Hva er forskjellen mellom Q og K? De beregnes med samme formel. Q kan finnes på ethvert tidspunkt i en reaksjon, mens K er verdien av Q når reaksjonen når likevekt ved en gitt temperatur.

Kan Q være null? Ja. Hvis et produkt har konsentrasjon lik null, mens alle reaktantkonsentrasjonene er større enn null, er telleren i Q-uttrykket null, og dermed er Q lik null.

Kan Q være udefinert? Ja. Hvis en reaktant har konsentrasjon lik null, er nevneren null, noe som gjør Q udefinert i streng matematisk forstand. Kalkulatoren viser dette tilfellet som ∞ og viser en advarsel.

Påvirker temperaturen Q? Temperaturen inngår ikke direkte i Q-formelen, men den endrer K og kan endre konsentrasjonene som brukes i Q. Sammenlign Q med en verdi av K som er målt ved samme temperatur.

Forekommer faste stoffer og væsker i Q-uttrykket? Nei. Rene faste stoffer og rene væsker utelates fordi konsentrasjonene deres forblir konstante under reaksjonen. Bare oppløste og gassformige kjemiske arter tas med.

Hvorfor opphøyes konsentrasjonene i en potens? Potensen tilsvarer koeffisienten til hver kjemiske art i den balanserte ligningen, i tråd med massevirkningsloven. I reaksjonen 2 A → B vil en dobling av [A] øke reaktantleddet med en faktor på fire (2²), noe som gjenspeiler at to mol A reagerer for hvert mol B som dannes.

Referanser

1. Atkins, P. W., & de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (10. utg.). Oxford University Press.
2. Chang, R., & Goldsby, K. A. (2015). Chemistry (12. utg.). McGraw-Hill Education.
3. Petrucci, R. H., Herring, F. G., Madura, J. D. og Bissonnette, C. (2016). General Chemistry: Principles and Modern Applications (11. utg.). 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 (14. utg.). Pearson.