Calculator Kp - Calculează Constantele de Echilibru pentru Reacțiile Gazoase

Ce este Kp?

Kp este constanta de echilibru pentru o reacție chimică între gaze, exprimată în funcție de presiunile parțiale. Un calculator Kp preia presiunile parțiale și coeficienții dintr-o ecuație echilibrată și returnează această valoare. Un Kp mai mare decât 1 înseamnă că, la echilibru, reacția favorizează produșii. Un Kp mai mic decât 1 înseamnă că favorizează reactanții.

Chimiștii folosesc Kp în locul constantei Kc bazate pe concentrație atunci când presiunea este modalitatea naturală de a măsura cantitatea de gaz prezentă, de exemplu în reactoare industriale sau în atmosferă.

Formula Kp

Pentru o reacție generală

$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$

constanta de echilibru este

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

Fiecare presiune parțială ($P$) este ridicată la puterea coeficientului său stoechiometric (numărul din fața substanței respective în ecuația echilibrată). Produșii se pun la numărător, iar reactanții la numitor.

Se aplică câteva reguli:

• Presiunile trebuie să fie mai mari decât zero. Acest calculator indică presiunea în atmosfere (atm). Se poate folosi o altă unitate, cu condiția ca aceeași unitate să fie utilizată pentru fiecare substanță dintr-un calcul.
• Coeficienții trebuie să fie mai mari decât zero. De obicei, sunt numere întregi, dar este permisă și o fracție. Ecuația de formare H₂(g) + ½O₂(g) ⇌ H₂O(g) folosește ½, iar calculatorul acceptă 0,5 în acest loc.
• Solidele și lichidele pure sunt omise din expresie, deoarece activitatea lor este fixată la 1. Pentru CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g), apare doar presiunea CO₂, deci $K_p = P_{CO_2}$.
• Kp este valabilă doar la o anumită temperatură. Modificarea temperaturii schimbă Kp; modificarea presiunii totale nu o schimbă.
• Unitatea lui Kp depinde de Δn, numărul de moli de gaz produși minus numărul de moli consumați. Kp are unități de presiune ridicate la puterea Δn. Când Δn este 0, unitățile se reduc și Kp este un număr simplu. Chimiștii exprimă de obicei Kp ca număr simplu împărțind mai întâi fiecare presiune la o presiune standard de 1 bar.

Kp este legată de Kc, constanta de echilibru bazată pe concentrație, prin

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

unde $R = 0.0821$ L·atm/(mol·K), $T$ este temperatura în kelvini, iar $\Delta n$ este numărul de moli ai produșilor gazoși minus numărul de moli ai reactanților gazoși. Când $\Delta n = 0$, Kp și Kc sunt egale numeric.

Cum se calculează Kp cu acest instrument

1. Enumerați reactanții. Pentru fiecare, introduceți formula chimică (opțională, pentru referință), coeficientul stoechiometric din ecuația echilibrată și presiunea sa parțială la echilibru. Adăugați mai multe rânduri cu „Adăugați reactant” dacă ecuația are mai mult de un reactant.
2. Enumerați produșii în același mod, folosind „Adăugați produs” pentru rânduri suplimentare.
3. Citiți rezultatul. Calculatorul ridică fiecare presiune la puterea coeficientului său, înmulțește termenii produșilor între ei, înmulțește termenii reactanților între ei și efectuează împărțirea. Valoarea Kp se actualizează imediat ce fiecare câmp conține un număr. Nu există un buton separat de calculare. „Resetare” readuce formularul la un reactant și un produs.

Dacă un câmp este lăsat necompletat, instrumentul solicită valori în loc să facă presupuneri. Dacă un coeficient sau o presiune este zero ori negativ(ă), afișează un avertisment în locul unei valori numerice.

Rezultatele foarte mici (sub 0,001) sau foarte mari (peste 10.000) sunt afișate în notație științifică, de exemplu 2.5000e-6. Celelalte rezultate sunt afișate ca numere zecimale simple.

Exemplu rezolvat: sinteza amoniacului

Procesul Haber produce amoniac din azot și hidrogen:

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

Să presupunem că presiunile parțiale la echilibru într-un vas de reacție sunt:

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

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

O valoare Kp de 160 înseamnă că amestecul aflat la echilibru conține mult mai mult amoniac decât azot și hidrogen.

Un al doilea exemplu: reacția de conversie a gazului de apă

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

Pentru $P_{CO} = 0.1$ atm, $P_{H_2O} = 0.2$ atm, $P_{CO_2} = 0.4$ atm și $P_{H_2} = 0.3$ atm, toți coeficienții fiind egali cu 1:

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

De ce contează Kp

Compararea lui Kp cu câtul de reacție Q (calculat pe baza presiunilor care nu au ajuns încă la echilibru) indică direcția în care se va deplasa reacția. Dacă Q este mai mic decât Kp, reacția produce mai mult produs. Dacă Q este mai mare decât Kp, produce mai mult reactant.

Procesele industriale se bazează pe acest principiu. Procesul Haber-Bosch pentru amoniac și procedeul de contact pentru acid sulfuric se desfășoară la temperaturi și presiuni alese pe baza datelor Kp, echilibrând randamentul cu viteza reacției. Kp este folosită și pentru modelarea echilibrelor atmosferice, de exemplu pentru a descrie modul în care dioxidul de sulf se transformă în trioxid de sulf în formarea ploilor acide.

Întrebări frecvente

Care este diferența dintre Kp și Kc? Kp folosește presiuni parțiale; Kc folosește concentrații molare. Ele descriu același echilibru în fază gazoasă și sunt legate prin $K_p = K_c(RT)^{\Delta n}$.

Modificarea presiunii totale schimbă Kp? Nu. Kp depinde doar de temperatură. Modificarea presiunii deplasează poziția echilibrului — presiunile parțiale individuale se ajustează —, dar valoarea Kp rămâne aceeași la temperatură constantă.

Poate Kp să fie negativă sau zero? Nu. Kp este un raport al unor presiuni pozitive ridicate la puteri pozitive, deci este întotdeauna pozitivă. O reacție care se desfășoară aproape deloc are o valoare Kp apropiată de zero, dar niciodată egală cu zero.

De ce nu apar solidele și lichidele în expresia Kp? Un solid sau un lichid pur are o compoziție fixă, care nu se modifică în timpul reacției, astfel încât activitatea sa este definită ca 1 și este eliminată matematic din raport.

Ce înseamnă Kp = 1? Termenul produșilor și termenul reactanților din expresie sunt egale. Aceasta nu înseamnă că presiunile individuale sunt egale, deoarece coeficienții influențează calculul.

Când trebuie luat în considerare comportamentul real (neideal) al gazelor? Sub aproximativ 10 atm, majoritatea gazelor se comportă suficient de apropiat de gazele ideale pentru calculele Kp standard. Peste această valoare, se folosește de obicei fugacitatea (o presiune efectivă care corectează efectele forțelor intermoleculare) în locul presiunii măsurate.

Referințe

1. Atkins, P. W., & De Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (ediția a 10-a). Oxford University Press.
2. Chang, R., & Goldsby, K. A. (2015). Chimie (ed. a 12-a). McGraw-Hill Education.
3. IUPAC (2014). Compendium of Chemical Terminology („Cartea de aur”).