Calculator pentru Constantă de Echilibru (K) - Calculează Kc pentru Reacții Chimice

Ce este o constantă de echilibru?

O reacție care se poate desfășura înainte și înapoi este o reacție reversibilă. Ea atinge echilibrul atunci când reacțiile directă și inversă au loc cu aceeași viteză, astfel încât cantitățile fiecărei substanțe nu se mai modifică. Constanta de echilibru (K) este un număr care compară cantitatea de produs cu cantitatea de reactant în acel moment. Acest calculator determină K pe baza concentrațiilor și coeficienților introduși.

Formula constantei de echilibru

Pentru o reacție echilibrată:

$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$

expresia constantei de echilibru este:

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

Produșii se trec la numărător, iar reactanții la numitor. Parantezele pătrate înseamnă „concentrația în moli pe litru (mol/L)”. Fiecare concentrație este ridicată la puterea egală cu coeficientul său din ecuația echilibrată.

Cum se calculează constanta de echilibru

1. Scrieți ecuația echilibrată și notați fiecare coeficient.
2. Determinați fiecare concentrație la echilibru, nu la începutul reacției.
3. Ridicați fiecare concentrație la puterea egală cu coeficientul său.
4. Înmulțiți între ei termenii produșilor, înmulțiți între ei termenii reactanților, apoi împărțiți primul rezultat la al doilea.

Exemplu: formarea iodurii de hidrogen

Reacția H₂ + I₂ ⇌ 2HI atinge echilibrul într-un recipient închis. Să presupunem că concentrațiile la echilibru sunt:

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

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

În acest caz, K este un număr moderat, astfel încât la echilibru rămân cantități măsurabile atât de reactanți, cât și de produși.

Exemplu: sinteza amoniacului (procesul Haber)

Reacția N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ produce amoniac pentru îngrășăminte. Să presupunem că se măsoară următoarele concentrații la echilibru:

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

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

Coeficientul 3 al H₂ devine exponentul 3 în formulă. O valoare K mai mare de 100 înseamnă că, în aceste condiții, reacția favorizează produșii.

Ce se include în expresia constantei de echilibru

În K apar doar gazele și substanțele dizolvate. Solidele pure și lichidele pure sunt omise, deoarece concentrația lor rămâne aceeași indiferent de cantitatea prezentă. Pentru reacția CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g), expresia este pur și simplu K = [CO₂]. Cele două solide sunt omise.

O valoare K se aplică numai la temperatura la care a fost măsurată. Schimbarea temperaturii modifică însăși valoarea lui K. Presiunea și catalizatorii modifică viteza cu care o reacție ajunge la echilibru, dar niciunul nu modifică valoarea lui K.

Tipuri de constante de echilibru

Chimiștii folosesc denumiri diferite în funcție de ceea ce se măsoară.

• Kc: se bazează pe concentrații în mol/L. Aceasta este valoarea calculată de calculatorul de mai sus.
• Kp: se bazează pe presiunile parțiale ale gazelor și este legată de Kc prin Kp = Kc(RT)^Δn.
• Ka și Kb: descriu gradul în care un acid slab sau o bază slabă se disociază în apă.
• Ksp: descrie cantitatea dintr-un solid care se dizolvă în apă; se numește produs de solubilitate.

Fiecare respectă aceeași regulă: produșii la numărător și reactanții la numitor, fiecare ridicat la puterea coeficientului său.

Utilizarea calculatorului

Alegeți câți reactanți și câți produși are reacția, până la cinci din fiecare. Pentru fiecare substanță, introduceți concentrația în mol/L și coeficientul său din ecuația echilibrată. Calculatorul efectuează automat înmulțirea termenilor din ambele părți și împărțirea.

Fiecare concentrație trebuie să fie mai mare decât zero, iar fiecare coeficient trebuie să fie un număr întreg de 1 sau mai mare. Introducerea oricărei alte valori marchează câmpul cu o eroare și nu afișează niciun rezultat. Rezultatele între 0,001 și 1000 sunt afișate cu patru zecimale, de exemplu 8,0000. Orice valoare mai mare de 1000 sau mai mică de 0,001 este afișată în notație științifică, astfel încât 12.340 este afișat ca 1.2340e+4.

K este prezentată ca un număr simplu, fără unitate. În mod obișnuit, chimiștii compară fiecare concentrație cu valoarea standard de 1 mol/L înainte de efectuarea calculelor, ceea ce elimină unitățile.

O greșeală frecventă este introducerea concentrațiilor inițiale în locul concentrațiilor la echilibru. Aceasta dă câtul reacției, Q, nu K. Q folosește aceeași formulă ca K, dar poate fi calculat în orice moment al reacției, nu doar la echilibru. Compararea lui Q cu K arată în ce direcție trebuie să se deplaseze în continuare reacția: dacă Q este mai mic decât K, reacția se deplasează spre produși; dacă Q este mai mare decât K, se deplasează spre reactanți.

Întrebări frecvente

Ce înseamnă o valoare K mare sau mică?

O valoare K mult mai mare decât 1 înseamnă că reacția favorizează produșii la echilibru. O valoare K mult mai mică decât 1 înseamnă că favorizează reactanții. O valoare K apropiată de 1 înseamnă că ambele părți sunt prezente în cantități similare.

De ce sunt omise solidele și lichidele din expresia lui K?

Deoarece concentrația lor nu se modifică. Un bloc de solid are aceeași densitate indiferent dacă este mare sau mic, astfel încât includerea lui ar înmulți K doar cu o constantă, care nu se modifică niciodată.

Temperatura modifică K?

Da. Creșterea temperaturii mărește K pentru reacțiile care absorb căldură și îl micșorează pentru reacțiile care eliberează căldură. O valoare K este valabilă numai la temperatura la care a fost determinată.

Presiunea sau un catalizator modifică K?

Nu. Un catalizator mărește viteza cu care o reacție ajunge la echilibru, dar nu modifică echilibrul propriu-zis. Presiunea poate modifica concentrațiile gazelor la echilibru, însă K calculată pe baza acestor concentrații noi rămâne aceeași.

Poate K să fie negativă?

Nu. K provine din concentrații, care sunt întotdeauna pozitive, ridicate la puteri întregi pozitive, astfel încât K este întotdeauna pozitivă. Calculatorul respinge o concentrație egală cu zero sau mai mică și afișează o eroare în locul unui număr.

Care este diferența dintre K și Q?

K descrie o reacție după atingerea echilibrului. Q folosește aceeași formulă, dar se bazează pe concentrații din orice alt moment. Compararea lui Q cu K prezice direcția în care se va deplasa reacția.

Istoric

Chimiștii norvegieni Cato Guldberg și Peter Waage au propus legea acțiunii maselor în 1864. Aceasta a dus la expresia constantei de echilibru folosită astăzi. Chimistul olandez Jacobus van 't Hoff a stabilit ulterior modul în care K depinde de temperatură, în cadrul cercetărilor care i-au adus primul Premiu Nobel pentru chimie în 1901.