Kp Kalkulator - Izračun Ravnotežnih Konstant za Plinske Reakcije

Kaj je Kp?

Kp je ravnotežna konstanta za kemijsko reakcijo, ki poteka med plini, zapisana v obliki delnih tlakov. Kalkulator Kp iz delnih tlakov in koeficientov uravnotežene enačbe izračuna to število. Kp nad 1 pomeni, da so pri ravnotežju ugodnejši produkti. Kp pod 1 pomeni, da so ugodnejši reaktanti.

Kemiki uporabljajo Kp namesto koncentracijske konstante Kc, kadar je tlak naraven način za merjenje količine prisotnega plina, na primer v industrijskih reaktorjih ali ozračju.

Enačba za Kp

Za splošno reakcijo

$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$

je ravnotežna konstanta

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

Vsak delni tlak ($P$) je potenciran s svojim stehiometričnim koeficientom (številom pred dano snovjo v uravnoteženi enačbi). Produkti so v števcu, reaktanti pa v imenovalcu.

Velja nekaj pravil:

• Tlaki morajo biti večji od nič. Ta kalkulator polje za tlak označuje v atmosferah (atm). Uporabite lahko tudi drugo enoto, če je pri vseh snoveh v posameznem izračunu uporabljena ista enota.
• Koeficienti morajo biti večji od nič. Običajno so cela števila, dovoljen pa je tudi ulomek. Enačba nastanka H₂(g) + ½O₂(g) ⇌ H₂O(g) uporablja ½, kalkulator pa tam sprejme 0,5.
• Čiste trdne snovi in tekočine se izpustijo iz izraza, ker je njihova aktivnost stalna in enaka 1. Pri CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) se pojavi samo tlak CO₂, zato je $K_p = P_{CO_2}$.
• Kp velja le pri eni temperaturi. Sprememba temperature spremeni Kp, sprememba celotnega tlaka pa ne.
• Enota Kp je odvisna od Δn, to je od števila molov nastalega plina, zmanjšanega za število molov porabljenega plina. Kp ima enote tlaka, potenciranega z Δn. Ko je Δn enak 0, se enote izničijo in Kp je navadno število. Kemiki Kp običajno navajajo kot navadno število, tako da vsak tlak najprej delijo s standardnim tlakom 1 bar.

Kp je s Kc, koncentracijsko ravnotežno konstanto, povezan prek enačbe

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

kjer je $R = 0.0821$ L·atm/(mol·K), $T$ temperatura v kelvinih, $\Delta n$ pa število molov plinastih produktov, zmanjšano za število molov plinastih reaktantov. Ko je $\Delta n = 0$, sta Kp in Kc številčno enaka.

Kako s tem orodjem izračunati Kp

1. Navedite reaktante. Za vsakega vnesite njegovo kemijsko formulo (neobvezno, za referenco), stehiometrični koeficient iz uravnotežene enačbe in njegov delni tlak pri ravnotežju. Če ima enačba več reaktantov, dodajte dodatne vrstice z možnostjo »Add Reactant«.
2. Navedite produkte na enak način; za dodatne vrstice uporabite možnost »Add Product«.
3. Preberite rezultat. Kalkulator vsak tlak potencira z njegovim koeficientom, zmnoži člene za produkte, zmnoži člene za reaktante in nato deli. Vrednost Kp se posodobi takoj, ko je v vsakem polju število. Ločenega gumba za izračun ni. »Reset« obrazec ponastavi na enega reaktanta in en produkt.

Če polje ostane prazno, orodje zahteva vnos vrednosti, namesto da bi jo ugibalo. Če je koeficient ali tlak nič ali negativen, prikaže opozorilo namesto števila.

Zelo majhni rezultati (pod 0,001) ali zelo veliki rezultati (nad 10.000) so prikazani v znanstvenem zapisu, na primer 2.5000e-6. Drugi rezultati so prikazani kot decimalna števila.

Ponazorjeni primer: sinteza amonijaka

Haberjev proces proizvaja amonijak iz dušika in vodika:

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

Predpostavimo, da so ravnotežni delni tlaki v reakcijski posodi:

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

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

Vrednost Kp 160 pomeni, da ravnotežna zmes vsebuje veliko več amonijaka kot dušika in vodika.

Drugi primer: reakcija pretvorbe vodnega plina

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

Pri $P_{CO} = 0.1$ atm, $P_{H_2O} = 0.2$ atm, $P_{CO_2} = 0.4$ atm in $P_{H_2} = 0.3$ atm, pri čemer so vsi koeficienti enaki 1:

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

Zakaj je Kp pomemben

Primerjava Kp z reakcijskim količnikom Q, izračunanim iz tlakov, ki še niso ravnotežni, napove, v katero smer se bo reakcija premaknila. Če je Q manjši od Kp, reakcija tvori več produktov. Če je Q večji od Kp, tvori več reaktantov.

Industrijski procesi se zanašajo na to. Haber-Boschev proces za pridobivanje amonijaka in kontaktni proces za pridobivanje žveplove kisline potekata pri temperaturah in tlakih, izbranih na podlagi podatkov o Kp, pri čemer se usklajujeta izkoristek in hitrost reakcije. Kp se uporablja tudi za modeliranje ravnotežij v ozračju, na primer pri preučevanju pretvorbe žveplovega dioksida v žveplov trioksid pri nastajanju kislega dežja.

Pogosta vprašanja

Kakšna je razlika med Kp in Kc? Kp uporablja delne tlake, Kc pa molarne koncentracije. Opisujeta isto ravnotežje v plinski fazi in sta povezana z enačbo $K_p = K_c(RT)^{\Delta n}$.

Ali sprememba celotnega tlaka spremeni Kp? Ne. Kp je odvisen samo od temperature. Sprememba tlaka premakne lego ravnotežja — posamezni delni tlaki se prilagodijo — vendar vrednost Kp pri stalni temperaturi ostane enaka.

Ali je Kp lahko negativen ali enak nič? Ne. Kp je razmerje pozitivnih tlakov, potenciranih s pozitivnimi potencami, zato je vedno pozitiven. Reakcija, ki komaj poteka, ima Kp blizu nič, vendar nikoli ni enak nič.

Zakaj se trdne snovi in tekočine ne pojavijo v izrazu za Kp? Čista trdna snov ali tekočina ima stalno sestavo, ki se med reakcijo ne spreminja, zato je njena aktivnost določena kot 1 in se matematično izloči iz razmerja.

Kaj pomeni Kp = 1? Člen za produkte in člen za reaktante v izrazu sta enaka. To ne pomeni, da sta posamezna tlaka enaka, saj koeficienti vplivajo na izračun.

Kdaj je treba upoštevati realno (neidealno) obnašanje plinov? Pod približno 10 atm se večina plinov obnaša dovolj podobno idealnim plinom za običajne izračune Kp. Nad to mejo se namesto izmerjenega tlaka običajno uporablja fugativnost (efektivni tlak, ki upošteva medmolekulske sile).

Viri

1. Atkins, P. W., in De Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (10. izd.). Oxford University Press.
2. Chang, R., in Goldsby, K. A. (2015). Chemistry (12. izd.). McGraw-Hill Education.
3. IUPAC (2014). Compendium of Chemical Terminology (»Gold Book«).