Kalkulator Stałej Równowagi (K) - Oblicz Kc dla Reakcji Chemicznych

Czym jest stała równowagi?

Reakcja, która może przebiegać w obu kierunkach, jest reakcją odwracalną. Osiąga stan równowagi, gdy reakcja w kierunku prostym i reakcja odwrotna zachodzą z taką samą szybkością, więc ilości poszczególnych substancji przestają się zmieniać. Stała równowagi (K) to liczba porównująca ilość produktu z ilością substratu w tym stanie. Ten kalkulator wyznacza K na podstawie wprowadzonych stężeń i współczynników.

Wzór na stałą równowagi

Dla zbilansowanej reakcji:

$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$

wyrażenie na stałą równowagi ma postać:

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

Produkty umieszcza się w liczniku, a substraty w mianowniku. Nawiasy kwadratowe oznaczają „stężenie w molach na litr (mol/L)”. Każde stężenie podnosi się do potęgi równej jego współczynnikowi z równania zbilansowanego.

Jak obliczyć stałą równowagi

1. Zapisz zbilansowane równanie i odnotuj każdy współczynnik.
2. Wyznacz każde stężenie w stanie równowagi, a nie na początku reakcji.
3. Podnieś każde stężenie do potęgi równej jego współczynnikowi.
4. Pomnóż przez siebie wyrazy dotyczące produktów, pomnóż przez siebie wyrazy dotyczące substratów, a następnie podziel pierwszy wynik przez drugi.

Przykład: powstawanie jodowodoru

Reakcja H₂ + I₂ ⇌ 2HI osiąga stan równowagi w zamkniętym naczyniu. Załóżmy, że stężenia równowagowe wynoszą:

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

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

W tym przypadku K ma umiarkowaną wartość, dlatego w stanie równowagi pozostają mierzalne ilości zarówno substratów, jak i produktów.

Przykład: synteza amoniaku (proces Habera)

Reakcja N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ służy do wytwarzania amoniaku na potrzeby produkcji nawozów. Załóżmy, że zmierzono następujące stężenia równowagowe:

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

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

Współczynnik 3 przy H₂ staje się wykładnikiem potęgi 3 we wzorze. Wartość K większa niż 100 oznacza, że w tych warunkach reakcja faworyzuje produkty.

Co uwzględnia się w wyrażeniu na stałą równowagi

W wyrażeniu K uwzględnia się tylko gazy i substancje rozpuszczone. Czyste ciała stałe i czyste ciecze pomija się, ponieważ ich stężenie pozostaje takie samo niezależnie od ich ilości. Dla reakcji CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) wyrażenie ma po prostu postać K = [CO₂]. Oba ciała stałe pomija się.

Wartość K ma zastosowanie tylko w temperaturze, w której została zmierzona. Zmiana temperatury zmienia samą wartość K. Ciśnienie i katalizatory wpływają na szybkość osiągania stanu równowagi, ale żadne z nich nie zmienia wartości K.

Rodzaje stałych równowagi

Chemicy stosują różne oznaczenia w zależności od tego, co jest mierzone.

• Kc: opiera się na stężeniach w mol/L. Tę wartość oblicza powyższy kalkulator.
• Kp: opiera się na ciśnieniach cząstkowych gazów i jest powiązana z Kc zależnością Kp = Kc(RT)^Δn.
• Ka i Kb: opisują stopień dysocjacji słabego kwasu lub słabej zasady w wodzie.
• Ksp: opisuje, jaka ilość substancji stałej rozpuszcza się w wodzie; nosi nazwę iloczynu rozpuszczalności.

Każda z nich opiera się na tej samej zasadzie: produkty dzieli się przez substraty, a każdy składnik podnosi się do potęgi równej jego współczynnikowi.

Korzystanie z kalkulatora

Wybierz liczbę substratów i produktów w reakcji — maksymalnie po pięć każdego rodzaju. Dla każdej substancji wprowadź jej stężenie w mol/L oraz współczynnik z równania zbilansowanego. Kalkulator automatycznie mnoży składniki po obu stronach i wykonuje dzielenie.

Każde stężenie musi być większe od zera, a każdy współczynnik musi być liczbą całkowitą równą 1 lub większą. Wprowadzenie innej wartości oznacza pole błędem i nie wyświetla wyniku. Wyniki od 0,001 do 1000 są wyświetlane z czterema miejscami po przecinku, na przykład 8,0000. Wartości powyżej 1000 lub poniżej 0,001 są zapisywane w notacji naukowej, więc 12 340 jest wyświetlane jako 1.2340e+4.

K podaje się jako zwykłą liczbę bez jednostki. Chemicy zwykle przed wykonaniem obliczeń porównują każde stężenie ze stężeniem standardowym 1 mol/L, dzięki czemu jednostki się skracają.

Częstym błędem jest wprowadzenie stężeń początkowych zamiast stężeń równowagowych. W rezultacie otrzymuje się iloraz reakcji Q, a nie K. Q wykorzystuje ten sam wzór co K, ale można je obliczyć w dowolnym momencie reakcji, nie tylko w stanie równowagi. Porównanie Q z K pokazuje, w którym kierunku reakcja musi jeszcze przebiegać: jeśli Q jest mniejsze od K, reakcja przesuwa się w kierunku produktów; jeśli Q jest większe od K, przesuwa się w kierunku substratów.

Najczęściej zadawane pytania

Co oznacza duża lub mała wartość K?

Wartość K znacznie większa od 1 oznacza, że w stanie równowagi reakcja faworyzuje produkty. Wartość K znacznie mniejsza od 1 oznacza, że faworyzuje substraty. Wartość K bliska 1 oznacza, że obie strony występują w podobnych ilościach.

Dlaczego ciała stałe i ciecze pomija się w wyrażeniu na K?

Ponieważ ich stężenie się nie zmienia. Bryła substancji stałej ma taką samą gęstość niezależnie od tego, czy jest duża, czy mała, więc uwzględnienie jej tylko pomnożyłoby K przez stałą, co niczego nie zmienia.

Czy temperatura zmienia K?

Tak. Podwyższenie temperatury zwiększa K dla reakcji pochłaniających ciepło i zmniejsza K dla reakcji wydzielających ciepło. Wartość K jest ważna tylko w temperaturze, dla której ją wyznaczono.

Czy ciśnienie lub katalizator zmienia K?

Nie. Katalizator przyspiesza osiąganie stanu równowagi, ale nie zmienia samego stanu równowagi. Ciśnienie może zmienić stężenia gazów w stanie równowagi, jednak K obliczone na podstawie tych nowych stężeń pozostaje takie samo.

Czy K może być ujemne?

Nie. K wynika ze stężeń, które zawsze są dodatnie, podniesionych do dodatnich potęg całkowitych, dlatego K zawsze jest dodatnie. Kalkulator odrzuca stężenie równe zero lub mniejsze i zamiast liczby wyświetla błąd.

Jaka jest różnica między K a Q?

K opisuje reakcję po osiągnięciu przez nią stanu równowagi. Q wykorzystuje ten sam wzór, ale odnosi się do stężeń w dowolnym innym momencie. Porównanie Q z K pozwala przewidzieć, w którym kierunku reakcja przesunie się dalej.

Historia

Norwescy chemicy Cato Guldberg i Peter Waage zaproponowali prawo działania mas w 1864 roku. Doprowadziło ono do powstania stosowanego obecnie wyrażenia na stałą równowagi. Holenderski chemik Jacobus van 't Hoff później ustalił, jak K zależy od temperatury; badania te były częścią prac, za które otrzymał pierwszą Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1901 roku.