Kalkulačka rovnovážnej konštanty (K) - Výpočet Kc pre chemické reakcie

Čo je rovnovážna konštanta?

Reakcia, ktorá môže prebiehať dopredným aj spätným smerom, je vratná reakcia. Rovnováhu dosiahne vtedy, keď dopredná a spätná reakcia prebiehajú rovnakou rýchlosťou, takže množstvá jednotlivých látok sa prestanú meniť. Rovnovážna konštanta (K) je číslo, ktoré v tomto okamihu porovnáva množstvo produktov s množstvom reaktantov. Táto kalkulačka vypočíta K z koncentrácií a stechiometrických koeficientov, ktoré zadáte.

Vzorec rovnovážnej konštanty

Pre vyčíslenú chemickú rovnicu:

$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$

výraz pre rovnovážnu konštantu je:

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

Produkty sa zapisujú do čitateľa a reaktanty do menovateľa. Hranaté zátvorky znamenajú „koncentrácia v moloch na liter (mol/L)“. Každá koncentrácia sa umocní na exponent rovnajúci sa jej koeficientu vo vyčíslenej rovnici.

Ako vypočítať rovnovážnu konštantu

1. Zapíšte vyčíslenú rovnicu a poznačte si každý koeficient.
2. Určte každú koncentráciu v rovnováhe, nie na začiatku reakcie.
3. Každú koncentráciu umocnite na exponent rovnajúci sa jej koeficientu.
4. Vynásobte členy pri produktoch navzájom a členy pri reaktantoch navzájom, potom prvý výsledok vydeľte druhým.

Príklad: Tvorba jodovodíka

Reakcia H₂ + I₂ ⇌ 2HI dosiahne rovnováhu v uzavretej nádobe. Predpokladajme, že rovnovážne koncentrácie sú:

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

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

Hodnota K je v tomto prípade stredne veľká, takže v rovnováhe zostávajú merateľné množstvá reaktantov aj produktov.

Príklad: Syntéza amoniaku (Haberov proces)

Reakcia N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ sa používa na výrobu amoniaku pre hnojivá. Predpokladajme, že boli namerané tieto rovnovážne koncentrácie:

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

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

Koeficient 3 pri H₂ sa vo vzorci zmení na exponent 3. Hodnota K vyššia než 100 znamená, že za týchto podmienok sú v reakcii uprednostňované produkty.

Čo sa započítava do rovnovážneho výrazu

V K sa uvádzajú iba plyny a rozpustené látky. Čisté tuhé látky a čisté kvapaliny sa vynechávajú, pretože ich koncentrácia zostáva rovnaká bez ohľadu na ich množstvo. Pre reakciu CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) je výraz jednoducho K = [CO₂]. Obe tuhé látky sa vynechajú.

Hodnota K platí iba pri teplote, pri ktorej bola zmeraná. Zmena teploty mení samotnú hodnotu K. Tlak a katalyzátory menia rýchlosť, ktorou reakcia dosiahne rovnováhu, ale ani jedno z toho nemení hodnotu K.

Typy rovnovážnych konštánt

Chemici používajú rôzne označenia podľa toho, čo sa meria.

• Kc: vychádza z koncentrácií v mol/L. Toto počíta vyššie uvedená kalkulačka.
• Kp: vychádza z parciálnych tlakov plynov a s Kc súvisí vzťahom Kp = Kc(RT)^Δn.
• Ka a Kb: opisujú, do akej miery sa slabá kyselina alebo slabá zásada vo vode disociuje.
• Ksp: opisuje, aké množstvo tuhej látky sa rozpustí vo vode; nazýva sa súčin rozpustnosti.

Každá z nich sa riadi rovnakým pravidlom: produkty nad reaktantmi, pričom každý člen je umocnený na svoj koeficient.

Používanie kalkulačky

Vyberte, koľko reaktantov a produktov má reakcia, najviac však po päť z každého. Pri každej látke zadajte jej koncentráciu v mol/L a koeficient z vyčíslenej rovnice. Kalkulačka automaticky vynásobí členy na oboch stranách a vykoná delenie.

Každá koncentrácia musí byť väčšia než nula a každý koeficient musí byť celé číslo 1 alebo väčšie. Ak zadáte inú hodnotu, pole sa označí chybou a výsledok sa nezobrazí. Výsledky od 0,001 do 1000 sa zobrazia na štyri desatinné miesta, napríklad 8,0000. Hodnoty vyššie než 1000 alebo nižšie než 0,001 sa zobrazia vo vedeckom zápise, takže 12 340 sa zobrazí ako 1.2340e+4.

K sa uvádza ako obyčajné číslo bez jednotky. Chemici pred výpočtom zvyčajne porovnávajú každú koncentráciu so štandardom 1 mol/L, čím sa jednotky navzájom vyrušia.

Častou chybou je zadanie počiatočných koncentrácií namiesto rovnovážnych koncentrácií. Takto sa získa reakčný podiel Q, nie K. Q používa rovnaký vzorec ako K, ale možno ho vypočítať v ľubovoľnom okamihu reakcie, nielen v rovnováhe. Porovnanie Q s K ukazuje, ktorým smerom sa musí reakcia ešte posunúť: ak je Q menšie než K, reakcia smeruje k produktom; ak je Q väčšie než K, smeruje k reaktantom.

Často kladené otázky

Čo znamená veľká alebo malá hodnota K?

Hodnota K oveľa väčšia než 1 znamená, že v rovnováhe sú uprednostňované produkty. Hodnota K oveľa menšia než 1 znamená, že sú uprednostňované reaktanty. Hodnota K blízka 1 znamená, že obe strany sú zastúpené v podobných množstvách.

Prečo sa tuhé látky a kvapaliny vynechávajú z výrazu pre K?

Pretože ich koncentrácia sa nemení. Kus tuhej látky má rovnakú hustotu bez ohľadu na to, či je veľký alebo malý, takže jeho zahrnutie by K iba vynásobilo konštantou, ktorá sa nikdy nemení.

Mení teplota hodnotu K?

Áno. Zvýšenie teploty zvyšuje K pri reakciách, ktoré pohlcujú teplo, a znižuje K pri reakciách, ktoré teplo uvoľňujú. Hodnota K platí iba pri teplote, pri ktorej bola určená.

Mení tlak alebo katalyzátor hodnotu K?

Nie. Katalyzátor urýchľuje dosiahnutie rovnováhy, ale samotnú rovnováhu neposúva. Tlak môže meniť koncentrácie plynov v rovnováhe, ale K vypočítaná z týchto nových koncentrácií zostáva rovnaká.

Môže byť K záporné?

Nie. K vychádza z koncentrácií, ktoré sú vždy kladné, umocnených na kladné celé exponenty, takže K je vždy kladné. Kalkulačka odmietne koncentráciu rovnú nule alebo menšiu než nula a namiesto čísla zobrazí chybu.

Aký je rozdiel medzi K a Q?

K opisuje reakciu po dosiahnutí rovnováhy. Q používa rovnaký vzorec, ale pracuje s koncentráciami v ľubovoľnom inom okamihu. Porovnanie Q s K predpovedá, ktorým smerom sa reakcia najbližšie posunie.

História

Nórski chemici Cato Guldberg a Peter Waage navrhli zákon účinku hmotností v roku 1864. Tento zákon viedol k výrazu pre rovnovážnu konštantu používanému dnes. Holandský chemik Jacobus van 't Hoff neskôr objasnil, ako K závisí od teploty. Tento výskum bol súčasťou práce, za ktorú získal prvú Nobelovu cenu za chémiu v roku 1901.