محاسبه مقدار Kp برای واکنش‌های تعادل شیمیایی

محاسبه ثابت‌های تعادل (Kp) برای واکنش‌های شیمیایی بر اساس فشار جزئی و ضریب‌های استوکیومتری. ضروری برای دانشجویان و حرفه‌ای‌های شیمی که واکنش‌های فازی گاز را تحلیل می‌کنند.

محاسبه مقدار Kp

محاسبه ثابت تعادل (Kp) برای واکنش‌های شیمیایی بر اساس فشارهای جزئی و ضرایب استوکیومتری.

معادله شیمیایی

R1 ⇌ P1

واکنش‌دهنده‌ها

واکنش‌دهنده 1

محصولات

محصول 1

فرمول Kp

Kp =(P1)(R1)

calculationSteps

Kp =(1)(1)= 0

نتیجه

Kp = 0
کپی

Kp چیست؟

ثابت تعادل Kp مقداری است که نسبت محصولات به واکنش‌دهنده‌ها را در تعادل برای یک واکنش شیمیایی نشان می‌دهد. این مقدار با استفاده از فشارهای جزئی گازها که به توان ضرایب استوکیومتری خودشان رسیده‌اند، محاسبه می‌شود. مقدار بزرگ Kp نشان‌دهنده این است که واکنش به سمت محصولات تمایل دارد، در حالی که مقدار کوچک Kp نشان‌دهنده این است که واکنش به سمت واکنش‌دهنده‌ها تمایل دارد.

📚

مستندات

ماشین‌حساب مقدار Kp برای تعادل شیمیایی

مقدمه‌ای بر مقدار Kp در شیمی

مقدار ثابت تعادل Kp یک مفهوم بنیادی در شیمی است که رابطه بین محصولات و واکنش‌دهنده‌ها در یک واکنش شیمیایی در حالت تعادل را اندازه‌گیری می‌کند. برخلاف سایر ثابت‌های تعادل، Kp به‌طور خاص از فشارهای جزئی گازها برای بیان این رابطه استفاده می‌کند که آن را برای واکنش‌های فازی گاز به‌ویژه ارزشمند می‌سازد. این ماشین‌حساب مقدار Kp راهی ساده برای تعیین ثابت تعادل برای واکنش‌های گازی بر اساس فشارهای جزئی و ضرایب استوکیومتری فراهم می‌کند.

در ترمودینامیک شیمیایی، مقدار Kp نشان می‌دهد که آیا یک واکنش به تشکیل محصولات یا واکنش‌دهنده‌ها در حالت تعادل تمایل دارد. یک مقدار Kp بزرگ (بیش از 1) نشان می‌دهد که محصولات ترجیح داده می‌شوند، در حالی که یک مقدار Kp کوچک (کمتر از 1) نشان می‌دهد که واکنش‌دهنده‌ها در حالت تعادل غالب هستند. این اندازه‌گیری کمی برای پیش‌بینی رفتار واکنش، طراحی فرآیندهای شیمیایی و درک خودبخودی واکنش ضروری است.

ماشین‌حساب ما فرآیند پیچیده تعیین مقادیر Kp را با اجازه دادن به شما برای وارد کردن واکنش‌دهنده‌ها و محصولات، ضرایب استوکیومتری و فشارهای جزئی برای محاسبه خودکار ثابت تعادل ساده می‌کند. چه شما یک دانش‌آموز باشید که مفاهیم تعادل شیمیایی را یاد می‌گیرد و چه یک شیمیدان حرفه‌ای که شرایط واکنش را تحلیل می‌کند، این ابزار محاسبات Kp دقیقی را بدون نیاز به محاسبات دستی ارائه می‌دهد.

فرمول Kp توضیح داده شده است

ثابت تعادل Kp برای یک واکنش عمومی فازی گاز به‌صورت زیر تعریف می‌شود:

Kp=(Pproducts)coefficients(Preactants)coefficientsK_p = \frac{\prod (P_{products})^{coefficients}}{\prod (P_{reactants})^{coefficients}}

برای یک واکنش شیمیایی که به‌صورت زیر نمایش داده می‌شود:

aA+bBcC+dDaA + bB \rightleftharpoons cC + dD

فرمول Kp به‌صورت زیر می‌شود:

Kp=(PC)c×(PD)d(PA)a×(PB)bK_p = \frac{(P_C)^c \times (P_D)^d}{(P_A)^a \times (P_B)^b}

که در آن:

  • PAP_A، PBP_B، PCP_C و PDP_D فشارهای جزئی گازهای A، B، C و D در حالت تعادل هستند (معمولاً به‌صورت اتمسفر، atm)
  • aa، bb، cc و dd ضرایب استوکیومتری معادله شیمیایی متوازن هستند

ملاحظات مهم برای محاسبات Kp

  1. واحدها: فشارهای جزئی معمولاً به‌صورت اتمسفر (atm) بیان می‌شوند، اما می‌توان از واحدهای فشار دیگر استفاده کرد به شرطی که در کل محاسبات سازگار باشند.

  2. جامدات و مایعات خالص: جامدات و مایعات خالص در بیان Kp مشارکت نمی‌کنند زیرا فعالیت‌های آن‌ها به‌عنوان 1 در نظر گرفته می‌شود.

  3. وابستگی به دما: مقادیر Kp به دما وابسته هستند. ماشین‌حساب فرض می‌کند که محاسبات در دمای ثابت انجام می‌شوند.

  4. رابطه با Kc: Kp (بر اساس فشارها) با Kc (بر اساس غلظت‌ها) از طریق معادله زیر مرتبط است: Kp=Kc×(RT)ΔnK_p = K_c \times (RT)^{\Delta n} که در آن Δn\Delta n تغییر در تعداد مول‌های گاز در واکنش است.

  5. وضعیت استاندارد: مقادیر Kp معمولاً برای شرایط استاندارد (فشار 1 atm) گزارش می‌شوند.

موارد و محدودیت‌های خاص

  • مقادیر بسیار بزرگ یا کوچک: برای واکنش‌هایی با ثابت‌های تعادل بسیار بزرگ یا کوچک، ماشین‌حساب نتایج را به‌صورت نمایی علمی برای وضوح نمایش می‌دهد.

  • فشارهای صفر: فشارهای جزئی باید بیشتر از صفر باشند، زیرا مقادیر صفر منجر به خطاهای ریاضی در محاسبه می‌شوند.

  • رفتار گاز غیرایده‌آل: ماشین‌حساب فرض می‌کند که رفتار گاز ایده‌آل است. برای سیستم‌های با فشار بالا یا گازهای واقعی، اصلاحات ممکن است لازم باشد.

نحوه استفاده از ماشین‌حساب مقدار Kp

ماشین‌حساب Kp ما به‌گونه‌ای طراحی شده است که کاربرپسند و شهودی باشد. برای محاسبه ثابت تعادل برای واکنش شیمیایی خود، مراحل زیر را دنبال کنید:

مرحله 1: وارد کردن اطلاعات واکنش‌دهنده‌ها

  1. برای هر واکنش‌دهنده در معادله شیمیایی خود:

    • به‌صورت اختیاری یک فرمول شیمیایی وارد کنید (مثلاً "H₂"، "N₂")
    • ضریب استوکیومتری را وارد کنید (باید یک عدد صحیح مثبت باشد)
    • فشار جزئی را وارد کنید (به‌صورت atm)
  2. اگر واکنش شما چندین واکنش‌دهنده دارد، روی دکمه "اضافه کردن واکنش‌دهنده" کلیک کنید تا فیلدهای ورودی بیشتری اضافه کنید.

مرحله 2: وارد کردن اطلاعات محصولات

  1. برای هر محصول در معادله شیمیایی خود:

    • به‌صورت اختیاری یک فرمول شیمیایی وارد کنید (مثلاً "NH₃"، "H₂O")
    • ضریب استوکیومتری را وارد کنید (باید یک عدد صحیح مثبت باشد)
    • فشار جزئی را وارد کنید (به‌صورت atm)
  2. اگر واکنش شما چندین محصول دارد، روی دکمه "اضافه کردن محصول" کلیک کنید تا فیلدهای ورودی بیشتری اضافه کنید.

مرحله 3: مشاهده نتایج

  1. ماشین‌حساب به‌طور خودکار مقدار Kp را در حین وارد کردن داده‌ها محاسبه می‌کند.
  2. نتیجه به‌صورت برجسته در بخش نتایج نمایش داده می‌شود.
  3. می‌توانید مقدار محاسبه شده را با کلیک بر روی دکمه "کپی" به کلیپ‌بورد خود کپی کنید.

مثال محاسبه

بیایید مقدار Kp را برای واکنش زیر محاسبه کنیم: N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)

با توجه به:

  • فشار جزئی N₂ = 0.5 atm (ضریب = 1)
  • فشار جزئی H₂ = 0.2 atm (ضریب = 3)
  • فشار جزئی NH₃ = 0.8 atm (ضریب = 2)

محاسبه: Kp=(PNH3)2(PN2)1×(PH2)3=(0.8)2(0.5)1×(0.2)3=0.640.5×0.008=0.640.004=160K_p = \frac{(P_{NH_3})^2}{(P_{N_2})^1 \times (P_{H_2})^3} = \frac{(0.8)^2}{(0.5)^1 \times (0.2)^3} = \frac{0.64}{0.5 \times 0.008} = \frac{0.64}{0.004} = 160

مقدار Kp برای این واکنش 160 است که نشان می‌دهد این واکنش به شدت به تشکیل محصولات در شرایط داده شده تمایل دارد.

کاربردها و موارد استفاده از مقدار Kp

ثابت تعادل Kp در بسیاری از کاربردها در شیمی و زمینه‌های مرتبط مورد استفاده قرار می‌گیرد:

1. پیش‌بینی جهت واکنش

یکی از کاربردهای اصلی Kp پیش‌بینی جهت واکنش است که به سمت کدام سمت پیش می‌رود تا به تعادل برسد:

  • اگر نسبت واکنش Q < Kp: واکنش به جلو (به سمت محصولات) پیش خواهد رفت
  • اگر Q > Kp: واکنش به عقب (به سمت واکنش‌دهنده‌ها) پیش خواهد رفت
  • اگر Q = Kp: واکنش در تعادل است

2. بهینه‌سازی فرآیندهای صنعتی

در محیط‌های صنعتی، مقادیر Kp به بهینه‌سازی شرایط واکنش برای حداکثر بازده کمک می‌کند:

  • تولید آمونیاک: فرآیند هابر برای سنتز آمونیاک (N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃) از مقادیر Kp برای تعیین شرایط بهینه دما و فشار استفاده می‌کند.
  • تولید اسید سولفوریک: فرآیند تماس از داده‌های Kp برای حداکثر تولید SO₃ استفاده می‌کند.
  • تصفیه نفت: فرآیندهای اصلاح و شکستن با استفاده از ثابت‌های تعادل بهینه می‌شوند.

3. شیمی محیط زیست

مقادیر Kp برای درک شیمی جوی و آلودگی حیاتی هستند:

  • تشکیل اوزون: ثابت‌های تعادل به مدل‌سازی تشکیل و کاهش اوزون در جو کمک می‌کنند.
  • شیمی باران اسیدی: مقادیر Kp برای واکنش‌های SO₂ و NO₂ با آب به پیش‌بینی تشکیل باران اسیدی کمک می‌کنند.
  • چرخه کربن: تعادل‌های CO₂ بین هوا و آب با استفاده از مقادیر Kp توصیف می‌شوند.

4. تحقیق دارویی

در توسعه دارو، مقادیر Kp به درک موارد زیر کمک می‌کند:

  • پایداری دارو: ثابت‌های تعادل پیش‌بینی پایداری ترکیبات دارویی را انجام می‌دهند.
  • زیست‌دسترس‌پذیری: مقادیر Kp برای تعادل‌های حل شدن بر جذب دارو تأثیر می‌گذارند.
  • بهینه‌سازی سنتز: شرایط واکنش برای سنتز دارو با استفاده از داده‌های Kp بهینه می‌شوند.

5. تحقیق و آموزش دانشگاهی

محاسبات Kp در موارد زیر بنیادی هستند:

  • آموزش شیمی: تدریس مفاهیم تعادل شیمیایی
  • برنامه‌ریزی تحقیق: طراحی آزمایشات با نتایج قابل پیش‌بینی
  • شیمی نظری: آزمایش و توسعه نظریه‌های جدید در مورد واکنش‌پذیری شیمیایی

جایگزین‌های Kp

در حالی که Kp برای واکنش‌های فازی گاز ارزشمند است، سایر ثابت‌های تعادل ممکن است در زمینه‌های مختلف مناسب‌تر باشند:

Kc (ثابت تعادل بر اساس غلظت)

Kc از غلظت‌های مولی به‌جای فشارهای جزئی استفاده می‌کند و معمولاً برای:

  • واکنش‌های در محلول
  • واکنش‌هایی که شامل چندین یا هیچ فاز گازی نیستند
  • محیط‌های آموزشی که اندازه‌گیری‌های فشار عملی نیستند، راحت‌تر است.

Ka، Kb، Kw (ثابت‌های تعادل اسید، باز و آب)

این ثابت‌های تخصصی برای:

  • واکنش‌های اسید و باز
  • محاسبات pH
  • محلول‌های بافر استفاده می‌شوند.

Ksp (ثابت محصول محلول)

Ksp به‌طور خاص برای:

  • تعادل‌های حلالیت نمک‌های کم‌حل
  • واکنش‌های رسوبی
  • شیمی تصفیه آب استفاده می‌شود.

توسعه تاریخی مفهوم Kp

مفهوم تعادل شیمیایی و ثابت‌های تعادل به‌طور قابل توجهی در طول قرن‌ها تکامل یافته است:

مشاهدات اولیه (قرن 18)

پایه‌گذاری برای درک تعادل شیمیایی با مشاهدات واکنش‌های معکوس آغاز شد. کلود لوئی برتولت (1748-1822) مشاهدات پیشگامانه‌ای در طول کمپین مصری ناپلئون انجام داد و متوجه شد که کربنات سدیم به‌طور طبیعی در حاشیه دریاچه‌های نمکی تشکیل می‌شود—برخلاف باور غالب که واکنش‌های شیمیایی همیشه به اتمام می‌رسند.

فرموله‌سازی ریاضی (قرن 19)

درمان ریاضی تعادل شیمیایی در اواسط قرن نوزدهم ظهور کرد:

  • کاتو ماکسیمیلیان گلدبرگ و پیتر واگه (1864-1867): قانون عمل جرم را فرموله کردند که پایه‌گذار عبارات ثابت تعادل است.
  • یاکوبوس هنریکوس ونت هوف (1884): بین انواع مختلف ثابت‌های تعادل تمایز قائل شد و رابطه وابستگی به دما را توسعه داد (معادله ونت هوف).
  • هنری لوئیس له‌چاتلیه (1888): اصل له‌چاتلیه را فرموله کرد که پیش‌بینی می‌کند چگونه سیستم‌های تعادل به اختلالات پاسخ می‌دهند.

پایه‌گذاری ترمودینامیکی (اوایل قرن 20)

درک مدرن Kp با اصول ترمودینامیکی تثبیت شد:

  • گیلبرت نیوتون لوئیس (1901-1907): ثابت‌های تعادل را به تغییرات انرژی آزاد مرتبط کرد.
  • یوهانس نیکولاس برونستد (1923): مفاهیم تعادل را به شیمی اسید و باز گسترش داد.
  • لینوس پاولینگ (دهه 1930-1940): مکانیک کوانتومی را برای توضیح پیوند شیمیایی و تعادل در سطح مولکولی به کار برد.

توسعه‌های مدرن (اواخر قرن 20 تا حال)

پیشرفت‌های اخیر درک و کاربرد Kp را اصلاح کرده‌اند:

  • شیمی محاسباتی: الگوریتم‌های پیشرفته اکنون اجازه پیش‌بینی دقیق ثابت‌های تعادل را از اصول اولیه می‌دهند.
  • سیستم‌های غیرایده‌آل: گسترش‌های مفهوم Kp پایه‌گذار رفتار غیرایده‌آل گاز را با استفاده از فگاسیتی به‌جای فشار در نظر می‌گیرد.
  • مدل‌سازی میکروکینتیک: ترکیب ثابت‌های تعادل با سینتیک واکنش برای مهندسی واکنش جامع.

سوالات متداول درباره محاسبات مقدار Kp

تفاوت بین Kp و Kc چیست؟

Kp از فشارهای جزئی گازها در بیان خود استفاده می‌کند، در حالی که Kc از غلظت‌های مولی استفاده می‌کند. آن‌ها از طریق معادله زیر مرتبط هستند:

Kp=Kc×(RT)ΔnK_p = K_c \times (RT)^{\Delta n}

که در آن R ثابت گاز، T دما به کلوین و Δn تغییر در تعداد مول‌های گاز است. برای واکنش‌هایی که در آن تعداد مول‌های گاز تغییر نمی‌کند (Δn = 0)، Kp برابر با Kc است.

چگونه دما بر مقدار Kp تأثیر می‌گذارد؟

دمای تأثیر قابل توجهی بر مقادیر Kp دارد. برای واکنش‌های گرماده (که گرما آزاد می‌کنند)، Kp با افزایش دما کاهش می‌یابد. برای واکنش‌های گرماگیر (که گرما جذب می‌کنند)، Kp با افزایش دما افزایش می‌یابد. این رابطه توسط معادله ونت هوف توصیف می‌شود:

ln(Kp2Kp1)=ΔHR(1T21T1)\ln \left( \frac{K_{p2}}{K_{p1}} \right) = \frac{-\Delta H^{\circ}}{R} \left( \frac{1}{T_2} - \frac{1}{T_1} \right)

که در آن ΔH° تغییر آنتالپی استاندارد واکنش است.

آیا فشار بر مقدار Kp تأثیر می‌گذارد؟

تغییر فشار کل به‌طور مستقیم مقدار Kp را در دمای معین تغییر نمی‌دهد. با این حال، تغییرات فشار می‌تواند موقعیت تعادل را طبق اصل له‌چاتلیه تغییر دهد. برای واکنش‌هایی که تعداد مول‌های گاز تغییر می‌کند، افزایش فشار به سمت طرفی که تعداد مول‌های کمتری دارد، تمایل خواهد داشت.

آیا مقادیر Kp می‌توانند منفی باشند؟

خیر، مقادیر Kp نمی‌توانند منفی باشند. به‌عنوان یک نسبت از محصولات به واکنش‌دهنده‌ها، ثابت تعادل همیشه یک عدد مثبت است. مقادیر بسیار کوچک (نزدیک به صفر) نشان‌دهنده واکنش‌هایی هستند که به شدت به واکنش‌دهنده‌ها تمایل دارند، در حالی که مقادیر بسیار بزرگ نشان‌دهنده واکنش‌هایی هستند که به شدت به محصولات تمایل دارند.

چگونه با مقادیر Kp بسیار بزرگ یا کوچک برخورد کنم؟

مقادیر بسیار بزرگ یا کوچک Kp بهتر است با استفاده از نمای علمی بیان شوند. به‌عنوان مثال، به‌جای نوشتن Kp = 0.0000025، بنویسید Kp = 2.5 × 10⁻⁶. به‌طور مشابه، به‌جای Kp = 25000000، بنویسید Kp = 2.5 × 10⁷. ماشین‌حساب ما به‌طور خودکار مقادیر شدید را در نمای علمی برای وضوح فرمت می‌کند.

چه معنایی دارد که مقدار Kp دقیقاً 1 باشد؟

مقدار Kp دقیقاً 1 به این معناست که محصولات و واکنش‌دهنده‌ها در فعالیت ترمودینامیکی برابر در حالت تعادل هستند. این به این معنا نیست که غلظت‌ها یا فشارها برابر هستند، زیرا ضرایب استوکیومتری بر محاسبه تأثیر می‌گذارند.

چگونه می‌توانم جامدات و مایعات را در محاسبات Kp شامل کنم؟

جامدات و مایعات خالص در عبارت Kp ظاهر نمی‌شوند زیرا فعالیت‌های آن‌ها به‌عنوان 1 تعریف می‌شود. تنها گازها (و گاهی حل‌شدگان در محلول) به محاسبه Kp کمک می‌کنند. به‌عنوان مثال، در واکنش CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g)، عبارت Kp به سادگی Kp = PCO₂ است.

آیا می‌توانم از Kp برای محاسبه فشارهای تعادلی استفاده کنم؟

بله، اگر مقدار Kp و همه جز یک فشار جزئی را بدانید، می‌توانید فشار ناشناخته را حل کنید. برای واکنش‌های پیچیده، این ممکن است شامل حل معادلات چندجمله‌ای باشد.

دقت محاسبات Kp برای گازهای واقعی چقدر است؟

محاسبات Kp استاندارد فرض می‌کنند که رفتار گاز ایده‌آل است. برای گازهای واقعی در فشارهای بالا یا دماهای پایین، این فرض باعث ایجاد خطا می‌شود. محاسبات دقیق‌تر فشارها را با فگاسیتی جایگزین می‌کنند که رفتار غیرایده‌آل را در نظر می‌گیرد.

چگونه Kp با انرژی آزاد گیبس مرتبط است؟

Kp به‌طور مستقیم با تغییر انرژی آزاد استاندارد (ΔG°) یک واکنش مرتبط است از طریق معادله زیر:

ΔG=RTln(Kp)\Delta G^{\circ} = -RT\ln(K_p)

این رابطه توضیح می‌دهد که چرا Kp به دما وابسته است و پایه‌ای ترمودینامیکی برای پیش‌بینی خودبخودی فراهم می‌کند.

مثال‌های کد برای محاسبه مقادیر Kp

اکسل

1' تابع اکسل برای محاسبه مقدار Kp
2Function CalculateKp(productPressures, productCoefficients, reactantPressures, reactantCoefficients)
3    ' مقداردهی اولیه به صورت‌جمع و مخرج
4    Dim numerator As Double
5    Dim denominator As Double
6    numerator = 1
7    denominator = 1
8    
9    ' محاسبه عبارت محصول
10    For i = 1 To UBound(productPressures)
11        numerator = numerator * (productPressures(i) ^ productCoefficients(i))
12    Next i
13    
14    ' محاسبه عبارت واکنش‌دهنده
15    For i = 1 To UBound(reactantPressures)
16        denominator = denominator * (reactantPressures(i) ^ reactantCoefficients(i))
17    Next i
18    
19    ' بازگشت مقدار Kp
20    CalculateKp = numerator / denominator
21End Function
22
23' مثال استفاده:
24' =CalculateKp({0.8,0.5},{2,1},{0.2,0.1},{3,1})
25

پایتون

1def calculate_kp(product_pressures, product_coefficients, reactant_pressures, reactant_coefficients):
2    """
3    محاسبه ثابت تعادل Kp برای یک واکنش شیمیایی.
4    
5    پارامترها:
6    product_pressures (list): فشارهای جزئی محصولات به atm
7    product_coefficients (list): ضرایب استوکیومتری محصولات
8    reactant_pressures (list): فشارهای جزئی واکنش‌دهنده‌ها به atm
9    reactant_coefficients (list): ضرایب استوکیومتری واکنش‌دهنده‌ها
10    
11    بازگشت:
12    float: مقدار Kp محاسبه شده
13    """
14    if len(product_pressures) != len(product_coefficients) or len(reactant_pressures) != len(reactant_coefficients):
15        raise ValueError("لیست‌های فشار و ضریب باید طول یکسانی داشته باشند")
16    
17    # محاسبه صورت‌جمع (محصولات)
18    numerator = 1.0
19    for pressure, coefficient in zip(product_pressures, product_coefficients):
20        if pressure <= 0:
21            raise ValueError("فشارهای جزئی باید مثبت باشند")
22        numerator *= pressure ** coefficient
23    
24    # محاسبه مخرج (واکنش‌دهنده‌ها)
25    denominator = 1.0
26    for pressure, coefficient in zip(reactant_pressures, reactant_coefficients):
27        if pressure <= 0:
28            raise ValueError("فشارهای جزئی باید مثبت باشند")
29        denominator *= pressure ** coefficient
30    
31    # بازگشت مقدار Kp
32    return numerator / denominator
33
34# مثال استفاده:
35# N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)
36product_pressures = [0.8]  # NH₃
37product_coefficients = [2]
38reactant_pressures = [0.5, 0.2]  # N₂، H₂
39reactant_coefficients = [1, 3]
40
41kp = calculate_kp(product_pressures, product_coefficients, reactant_pressures, reactant_coefficients)
42print(f"Kp value: {kp}")
43

جاوااسکریپت

1/**
2 * محاسبه ثابت تعادل Kp برای یک واکنش شیمیایی
3 * @param {Array<number>} productPressures - فشارهای جزئی محصولات به atm
4 * @param {Array<number>} productCoefficients - ضرایب استوکیومتری محصولات
5 * @param {Array<number>} reactantPressures - فشارهای جزئی واکنش‌دهنده‌ها به atm
6 * @param {Array<number>} reactantCoefficients - ضرایب استوکیومتری واکنش‌دهنده‌ها
7 * @returns {number} مقدار Kp محاسبه شده
8 */
9function calculateKp(productPressures, productCoefficients, reactantPressures, reactantCoefficients) {
10    // اعتبارسنجی آرایه‌های ورودی
11    if (productPressures.length !== productCoefficients.length || 
12        reactantPressures.length !== reactantCoefficients.length) {
13        throw new Error("آرایه‌های فشار و ضریب باید طول یکسانی داشته باشند");
14    }
15    
16    // محاسبه صورت‌جمع (محصولات)
17    let numerator = 1;
18    for (let i = 0; i < productPressures.length; i++) {
19        if (productPressures[i] <= 0) {
20            throw new Error("فشارهای جزئی باید مثبت باشند");
21        }
22        numerator *= Math.pow(productPressures[i], productCoefficients[i]);
23    }
24    
25    // محاسبه مخرج (واکنش‌دهنده‌ها)
26    let denominator = 1;
27    for (let i = 0; i < reactantPressures.length; i++) {
28        if (reactantPressures[i] <= 0) {
29            throw new Error("فشارهای جزئی باید مثبت باشند");
30        }
31        denominator *= Math.pow(reactantPressures[i], reactantCoefficients[i]);
32    }
33    
34    // بازگشت مقدار Kp
35    return numerator / denominator;
36}
37
38// مثال استفاده:
39// N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)
40const productPressures = [0.8]; // NH₃
41const productCoefficients = [2];
42const reactantPressures = [0.5, 0.2]; // N₂، H₂
43const reactantCoefficients = [1, 3];
44
45const kp = calculateKp(productPressures, productCoefficients, reactantPressures, reactantCoefficients);
46console.log(`Kp value: ${kp}`);
47

جاوا

1import java.util.Arrays;
2
3public class KpCalculator {
4    /**
5     * محاسبه ثابت تعادل Kp برای یک واکنش شیمیایی
6     * @param productPressures فشارهای جزئی محصولات به atm
7     * @param productCoefficients ضرایب استوکیومتری محصولات
8     * @param reactantPressures فشارهای جزئی واکنش‌دهنده‌ها به atm
9     * @param reactantCoefficients ضرایب استوکیومتری واکنش‌دهنده‌ها
10     * @return مقدار Kp محاسبه شده
11     */
12    public static double calculateKp(double[] productPressures, int[] productCoefficients,
13                                    double[] reactantPressures, int[] reactantCoefficients) {
14        // اعتبارسنجی آرایه‌های ورودی
15        if (productPressures.length != productCoefficients.length ||
16            reactantPressures.length != reactantCoefficients.length) {
17            throw new IllegalArgumentException("آرایه‌های فشار و ضریب باید طول یکسانی داشته باشند");
18        }
19        
20        // محاسبه صورت‌جمع (محصولات)
21        double numerator = 1.0;
22        for (int i = 0; i < productPressures.length; i++) {
23            if (productPressures[i] <= 0) {
24                throw new IllegalArgumentException("فشارهای جزئی باید مثبت باشند");
25            }
26            numerator *= Math.pow(productPressures[i], productCoefficients[i]);
27        }
28        
29        // محاسبه مخرج (واکنش‌دهنده‌ها)
30        double denominator = 1.0;
31        for (int i = 0; i < reactantPressures.length; i++) {
32            if (reactantPressures[i] <= 0) {
33                throw new IllegalArgumentException("فشارهای جزئی باید مثبت باشند");
34            }
35            denominator *= Math.pow(reactantPressures[i], reactantCoefficients[i]);
36        }
37        
38        // بازگشت مقدار Kp
39        return numerator / denominator;
40    }
41    
42    public static void main(String[] args) {
43        // مثال: N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)
44        double[] productPressures = {0.8}; // NH₃
45        int[] productCoefficients = {2};
46        double[] reactantPressures = {0.5, 0.2}; // N₂، H₂
47        int[] reactantCoefficients = {1, 3};
48        
49        double kp = calculateKp(productPressures, productCoefficients, reactantPressures, reactantCoefficients);
50        System.out.printf("Kp value: %.4f%n", kp);
51    }
52}
53

R

1calculate_kp <- function(product_pressures, product_coefficients, 
2                         reactant_pressures, reactant_coefficients) {
3  # اعتبارسنجی بردارهای ورودی
4  if (length(product_pressures) != length(product_coefficients) || 
5      length(reactant_pressures) != length(reactant_coefficients)) {
6    stop("بردارهای فشار و ضریب باید طول یکسانی داشته باشند")
7  }
8  
9  # بررسی فشارهای مثبت
10  if (any(product_pressures <= 0) || any(reactant_pressures <= 0)) {
11    stop("تمام فشارهای جزئی باید مثبت باشند")
12  }
13  
14  # محاسبه صورت‌جمع (محصولات)
15  numerator <- prod(product_pressures ^ product_coefficients)
16  
17  # محاسبه مخرج (واکنش‌دهنده‌ها)
18  denominator <- prod(reactant_pressures ^ reactant_coefficients)
19  
20  # بازگشت مقدار Kp
21  return(numerator / denominator)
22}
23
24# مثال استفاده:
25# N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)
26product_pressures <- c(0.8)  # NH₃
27product_coefficients <- c(2)
28reactant_pressures <- c(0.5, 0.2)  # N₂، H₂
29reactant_coefficients <- c(1, 3)
30
31kp <- calculate_kp(product_pressures, product_coefficients, 
32                  reactant_pressures, reactant_coefficients)
33cat(sprintf("Kp value: %.4f\n", kp))
34

مثال‌های عددی محاسبات Kp

در اینجا چند مثال کار شده برای نشان دادن محاسبات Kp برای انواع مختلف واکنش‌ها آورده شده است:

مثال 1: سنتز آمونیاک

برای واکنش: N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)

با توجه به:

  • P(N₂) = 0.5 atm
  • P(H₂) = 0.2 atm
  • P(NH₃) = 0.8 atm

Kp=(PNH3)2(PN2)1×(PH2)3=(0.8)2(0.5)1×(0.2)3=0.640.5×0.008=0.640.004=160K_p = \frac{(P_{NH_3})^2}{(P_{N_2})^1 \times (P_{H_2})^3} = \frac{(0.8)^2}{(0.5)^1 \times (0.2)^3} = \frac{0.64}{0.5 \times 0.008} = \frac{0.64}{0.004} = 160

مقدار Kp برابر با 160 نشان می‌دهد که این واکنش به شدت به تشکیل محصولات در شرایط داده شده تمایل دارد.

مثال 2: واکنش تغییر گاز آب

برای واکنش: CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂(g) + H₂(g)

با توجه به:

  • P(CO) = 0.1 atm
  • P(H₂O) = 0.2 atm
  • P(CO₂) = 0.4 atm
  • P(H₂) = 0.3 atm

Kp=PCO2×PH2PCO×PH2O=0.4×0.30.1×0.2=0.120.02=6K_p = \frac{P_{CO_2} \times P_{H_2}}{P_{CO} \times P_{H_2O}} = \frac{0.4 \times 0.3}{0.1 \times 0.2} = \frac{0.12}{0.02} = 6

مقدار Kp برابر با 6 نشان می‌دهد که این واکنش به طور متوسط به تشکیل محصولات تمایل دارد.

مثال 3: تجزیه کربنات کلسیم

برای واکنش: CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g)

با توجه به:

  • P(CO₂) = 0.05 atm
  • CaCO₃ و CaO جامد هستند و در عبارت Kp ظاهر نمی‌شوند

Kp=PCO2=0.05K_p = P_{CO_2} = 0.05

مقدار Kp برابر با فشار جزئی CO₂ در حالت تعادل است.

مثال 4: دیمرسازی دی‌اکسید نیتروژن

برای واکنش: 2NO₂(g) ⇌ N₂O₄(g)

با توجه به:

  • P(NO₂) = 0.25 atm
  • P(N₂O₄) = 0.15 atm

Kp=PN2O4(PNO2)2=0.15(0.25)2=0.150.0625=2.4K_p = \frac{P_{N_2O_4}}{(P_{NO_2})^2} = \frac{0.15}{(0.25)^2} = \frac{0.15}{0.0625} = 2.4

مقدار Kp برابر با 2.4 نشان می‌دهد که این واکنش به طور متوسط به تشکیل دیمر در شرایط داده شده تمایل دارد.

منابع

  1. آتکینز، P. W.، و دی‌پائولا، J. (2014). شیمی فیزیکی آتکینز (چاپ دهم). انتشارات آکسفورد.

  2. چانگ، R.، و گلدسبی، K. A. (2015). شیمی (چاپ دوازدهم). انتشارات مک‌گرا-هیل.

  3. سیلبرگ، M. S.، و آما‌تیس، P. (2018). شیمی: ماهیت مولکولی ماده و تغییرات آن (چاپ هشتم). انتشارات مک‌گرا-هیل.

  4. زومدال، S. S.، و زومدال، S. A. (2016). شیمی (چاپ دهم). انتشارات سن‌گِیج.

  5. لوین، I. N. (2008). شیمی فیزیکی (چاپ ششم). انتشارات مک‌گرا-هیل.

  6. اسمیت، J. M.، ون نس، H. C.، و ابوت، M. M. (2017). مقدمه‌ای بر ترمودینامیک مهندسی شیمی (چاپ هشتم). انتشارات مک‌گرا-هیل.

  7. IUPAC. (2014). کمپندیوم اصطلاحات شیمیایی (کتاب "طلایی"). انتشارات علمی بلک‌ول.

  8. لیدلر، K. J.، و مایزر، J. H. (1982). شیمی فیزیکی. انتشارات بنجامین/کامینگ.

  9. سندلر، S. I. (2017). ترمودینامیک شیمیایی، بیوشیمیایی و مهندسی (چاپ پنجم). انتشارات جان وایلی و پسران.

  10. مک‌کوری، D. A.، و سیمون، J. D. (1997). شیمی فیزیکی: رویکرد مولکولی. انتشارات دانشگاه علوم.

امروز ماشین‌حساب مقدار Kp ما را امتحان کنید!

ماشین‌حساب مقدار Kp ما راهی سریع و دقیق برای تعیین ثابت‌های تعادل برای واکنش‌های فازی گاز فراهم می‌کند. چه شما در حال مطالعه برای یک امتحان شیمی باشید، چه در حال انجام تحقیق یا حل مشکلات صنعتی، این ابزار محاسبات پیچیده را ساده کرده و به شما کمک می‌کند تا بهتر تعادل شیمیایی را درک کنید.

اکنون با استفاده از ماشین‌حساب شروع کنید تا:

  • مقادیر Kp را برای هر واکنش گازی محاسبه کنید
  • جهت واکنش و بازده محصول را پیش‌بینی کنید
  • رابطه بین واکنش‌دهنده‌ها و محصولات در حالت تعادل را درک کنید
  • در زمان محاسبات دستی صرفه‌جویی کنید

برای ابزارها و ماشین‌حساب‌های شیمیایی بیشتر، منابع دیگر ما را در مورد سینتیک شیمیایی، ترمودینامیک و مهندسی واکنش کاوش کنید.