Kp Kalkulator - Beregn Likevektskonstanter for Gassreaksjoner

Hva er Kp?

Kp er likevektskonstanten for en kjemisk reaksjon som skjer mellom gasser, uttrykt ved hjelp av partialtrykk. En Kp-kalkulator tar partialtrykkene og koeffisientene fra en balansert ligning og returnerer dette tallet. Kp over 1 betyr at reaksjonen favoriserer produkter ved likevekt. Kp under 1 betyr at den favoriserer reaktanter.

Kjemikere bruker Kp i stedet for den konsentrasjonsbaserte konstanten Kc når trykk er den naturlige måten å måle hvor mye gass som er til stede på, for eksempel i industrielle reaktorer eller i atmosfæren.

Kp-formelen

For en generell reaksjon

$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$

er likevektskonstanten

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

Hvert partialtrykk ($P$) opphøyes i potensen til sin støkiometriske koeffisient (tallet foran stoffet i den balanserte ligningen). Produkter står i telleren, og reaktanter i nevneren.

Noen regler gjelder:

• Trykkene må være større enn null. Denne kalkulatoren angir trykkfeltet i atmosfærer (atm). En annen enhet kan brukes, så lenge den samme enheten brukes for alle stoffene i én beregning.
• Koeffisientene må være større enn null. De er vanligvis heltall, men en brøk er tillatt. Dannelsesligningen H₂(g) + ½O₂(g) ⇌ H₂O(g) bruker ½, og kalkulatoren godtar 0,5 der.
• Rene faste stoffer og væsker utelates fra uttrykket, fordi aktiviteten deres er fast lik 1. For CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) er det bare trykket til CO₂ som inngår, så $K_p = P_{CO_2}$.
• Kp er bare gyldig ved én temperatur. Når temperaturen endres, endres Kp; en endring i totaltrykket gjør det ikke.
• Enheten til Kp avhenger av Δn, antall mol gass som produseres minus antall mol som forbrukes. Kp har trykkenheter opphøyd i Δn. Når Δn er 0, forkortes enhetene bort, og Kp er et rent tall. Kjemikere oppgir vanligvis Kp som et rent tall ved først å dividere hvert trykk med et standardtrykk på 1 bar.

Kp henger sammen med Kc, den konsentrasjonsbaserte likevektskonstanten, gjennom

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

der $R = 0.0821$ L·atm/(mol·K), $T$ er temperaturen i kelvin, og $\Delta n$ er antall mol gassformige produkter minus antall mol gassformige reaktanter. Når $\Delta n = 0$, er Kp og Kc numerisk like.

Slik beregner du Kp med dette verktøyet

1. Oppgi reaktantene. For hver av dem oppgir du den kjemiske formelen (valgfritt, som referanse), den støkiometriske koeffisienten fra den balanserte ligningen og partialtrykket ved likevekt. Legg til flere rader med «Legg til reaktant» hvis ligningen har mer enn én reaktant.
2. Oppgi produktene på samme måte, og bruk «Legg til produkt» for flere rader.
3. Les av resultatet. Kalkulatoren opphøyer hvert trykk i koeffisienten, multipliserer produktleddene med hverandre, multipliserer reaktantleddene med hverandre og dividerer. Kp-verdien oppdateres så snart alle feltene har et tall. Det finnes ingen egen beregningsknapp. «Tilbakestill» setter skjemaet tilbake til én reaktant og ett produkt.

Hvis et felt står tomt, ber verktøyet om en verdi i stedet for å gjette. Hvis en koeffisient eller et trykk er null eller negativt, viser det en advarsel i stedet for et tall.

Svært små resultater (under 0,001) eller svært store resultater (over 10 000) vises i vitenskapelig notasjon, for eksempel 2.5000e-6. Andre resultater vises som desimaltall.

Eksempel: ammoniakksyntese

Haber-prosessen produserer ammoniakk fra nitrogen og hydrogen:

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

Anta at partialtrykkene ved likevekt i en reaksjonsbeholder er:

• $P_{N_2} = 0.5$ atm (koeffisient 1)
• $P_{H_2} = 0.2$ atm (koeffisient 3)
• $P_{NH_3} = 0.8$ atm (koeffisient 2)

$K_p = \frac{(P_{NH_3})^2}{(P_{N_2})^1 \times (P_{H_2})^3} = \frac{(0.8)^2}{(0.5) \times (0.2)^3} = \frac{0.64}{0.004} = 160$

En Kp på 160 betyr at likevektsblandingen inneholder langt mer ammoniakk enn nitrogen og hydrogen.

Et annet eksempel: vann-gass-skiftreaksjonen

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

Med $P_{CO} = 0.1$ atm, $P_{H_2O} = 0.2$ atm, $P_{CO_2} = 0.4$ atm og $P_{H_2} = 0.3$ atm, der alle koeffisientene er lik 1:

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

Hvorfor Kp er viktig

Ved å sammenligne Kp med reaksjonskvotienten Q (beregnet fra trykk som ennå ikke er ved likevekt) kan man forutsi hvilken vei en reaksjon vil forskyves. Hvis Q er mindre enn Kp, danner reaksjonen mer produkt. Hvis Q er større enn Kp, danner den mer reaktant.

Industrielle prosesser bygger på dette. Haber–Bosch-prosessen for ammoniakk og kontaktprosessen for svovelsyre kjøres begge ved temperaturer og trykk som er valgt ved hjelp av Kp-data, med en avveining mellom utbytte og reaksjonshastighet. Kp brukes også til å modellere likevekter i atmosfæren, for eksempel hvordan svoveldioksid omdannes til svoveltrioksid under dannelsen av sur nedbør.

Ofte stilte spørsmål

Hva er forskjellen mellom Kp og Kc? Kp bruker partialtrykk, mens Kc bruker molare konsentrasjoner. De beskriver den samme gassfase-likevekten og henger sammen gjennom $K_p = K_c(RT)^{\Delta n}$.

Endrer en endring i totaltrykket Kp? Nei. Kp avhenger bare av temperaturen. En trykkendring forskyver likevektsposisjonen — de enkelte partialtrykkene justeres — men selve Kp-verdien forblir den samme ved konstant temperatur.

Kan Kp være negativ eller lik null? Nei. Kp er et forhold mellom positive trykk opphøyd i positive potenser, så den er alltid positiv. En reaksjon som så vidt forløper, har en Kp-verdi nær null, men aldri lik null.

Hvorfor inngår ikke faste stoffer og væsker i Kp-uttrykket? Et rent fast stoff eller en ren væske har en fast sammensetning som ikke endres under reaksjonen, så aktiviteten er definert som 1, og leddet faller matematisk ut av forholdet.

Hva betyr Kp = 1? Produktleddet og reaktantleddet i uttrykket er like. Det betyr ikke at de enkelte partialtrykkene er like, siden koeffisientene påvirker beregningen.

Når bør man ta hensyn til virkelig gassatferd (ikke-ideal gass)? Under omtrent 10 atm oppfører de fleste gasser seg tilstrekkelig nær ideelt for standardberegninger av Kp. Over dette brukes vanligvis fugasitet (et effektivt trykk som korrigerer for intermolekylære krefter) i stedet for det målte trykket.

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. IUPAC (2014). Compendium of Chemical Terminology («Gold Book»).