Kp калкулатор - Израчунавање равнотежних константи за гасне реакције

Шта је Kp?

Kp је константа равнотеже за хемијску реакцију која се одвија између гасова, изражена преко парцијалних притисака. Калкулатор Kp узима парцијалне притиске и коефицијенте из изједначене једначине и враћа ову вредност. Kp изнад 1 значи да су при равнотежи фаворизовани производи. Kp испод 1 значи да су фаворизовани реактанти.

Хемичари користе Kp уместо константе Kc засноване на концентрацији кад је притисак природан начин за мерење количине присутног гаса, на пример у индустријским реакторима или атмосфери.

Формула за Kp

За општу реакцију

$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$

константа равнотеже је

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

Сваки парцијални притисак ($P$) подиже се на степен свог стехиометријског коефицијента (броја испред те супстанце у изједначеној једначини). Производи се стављају у бројилац, а реактанти у именилац.

Примењује се неколико правила:

• Притисци морају бити већи од нуле. Овај калкулатор означава поље за притисак јединицом атмосфера (atm). Може се користити и друга јединица, под условом да се у једном израчунавању за сваку супстанцу користи иста јединица.
• Коефицијенти морају бити већи од нуле. Обично су то цели бројеви, али је дозвољен и разломак. Једначина настајања H₂(g) + ½O₂(g) ⇌ H₂O(g) користи ½, а калкулатор на том месту прихвата 0,5.
• Чврсте и течне чисте супстанце се изостављају из израза, јер је њихова активност фиксна и износи 1. За CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g), појављује се само притисак CO₂, па је $K_p = P_{CO_2}$.
• Kp важи само на једној температури. Промена температуре мења Kp; промена укупног притиска га не мења.
• Јединица за Kp зависи од Δn, односно од броја молова насталог гаса умањеног за број молова утрошеног гаса. Kp има јединице притиска подигнутог на Δn. Када је Δn 0, јединице се поништавају и Kp је обичан број. Хемичари обично наводе Kp као обичан број тако што сваки притисак прво поделе стандардним притиском од 1 bar.

Kp је повезан са Kc, константом равнотеже заснованом на концентрацији, преко

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

где је $R = 0.0821$ L·atm/(mol·K), $T$ температура у келвинима, а $\Delta n$ број молова гасовитих производа умањен за број молова гасовитих реактаната. Када је $\Delta n = 0$, Kp и Kc су нумерички једнаки.

Како израчунати Kp помоћу овог алата

1. Наведите реактанте. За сваки реактанат унесите његову хемијску формулу (опционо, ради лакшег прегледа), стехиометријски коефицијент из изједначене једначине и парцијални притисак при равнотежи. Додајте још редова помоћу опције „Додај реактанат“ ако једначина има више од једног реактанта.
2. Наведите производе на исти начин, користећи опцију „Додај производ“ за додатне редове.
3. Прочитајте резултат. Калкулатор сваки притисак подиже на степен његовог коефицијента, множи чланове који се односе на производе, множи чланове који се односе на реактанте и затим дели та два производа. Вредност Kp се ажурира чим свако поље садржи број. Не постоји посебно дугме за израчунавање. Опција „Ресетуј“ враћа образац на један реактанат и један производ.

Ако се поље остави празно, алат тражи вредност уместо да је погађа. Ако је коефицијент или притисак једнак нули или негативан, приказује упозорење уместо броја.

Веома мале вредности (испод 0,001) или веома велике вредности (изнад 10.000) приказују се у научној нотацији, на пример 2.5000e-6. Остале вредности приказују се као децимални број.

Пример израчунавања: синтеза амонијака

Хаберовим поступком амонијак се добија из азота и водоника:

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

Претпоставимо да су парцијални притисци у равнотежи у реакционом суду:

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

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

Kp од 160 значи да равнотежна смеша садржи знатно више амонијака него азота и водоника.

Други пример: реакција конверзије воденог гаса

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

Са $P_{CO} = 0.1$ atm, $P_{H_2O} = 0.2$ atm, $P_{CO_2} = 0.4$ atm и $P_{H_2} = 0.3$ atm, при чему су сви коефицијенти једнаки 1:

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

Зашто је Kp важан

Поређење Kp са реакционим количником Q (израчунатим на основу притисака који још нису у равнотежи) предвиђа у ком ће се смеру реакција померити. Ако је Q мањи од Kp, реакцијом настаје више производа. Ако је Q већи од Kp, настаје више реактаната.

Индустријски процеси се ослањају на ово. Хабер–Бошов поступак за добијање амонијака и контактни поступак за добијање сумпорне киселине одвијају се на температурама и притисцима изабраним на основу података о Kp, уз успостављање равнотеже између приноса и брзине реакције. Kp се такође користи за моделирање атмосферских равнотежа, као што је претварање сумпор-диоксида у сумпор-триоксид при настајању киселих киша.

Најчешће постављана питања

Која је разлика између Kp и Kc? Kp користи парцијалне притиске, а Kc моларне концентрације. Они описују исту равнотежу у гасној фази и повезани су релацијом $K_p = K_c(RT)^{\Delta n}$.

Да ли промена укупног притиска мења Kp? Не. Kp зависи само од температуре. Промена притиска помера положај равнотеже — појединачни парцијални притисци се прилагођавају — али сама вредност Kp остаје иста при константној температури.

Може ли Kp бити негативан или једнак нули? Не. Kp је количник позитивних притисака подигнутих на позитивне степене, па је увек позитиван. Реакција која се одвија тек незнатно има Kp близу нуле, али му никада није једнак.

Зашто се чврсте и течне супстанце не појављују у изразу за Kp? Чиста чврста или течна супстанца има фиксни састав који се не мења током реакције, па је њена активност дефинисана као 1 и математички се губи из количника.

Шта значи Kp = 1? Члан који се односи на производе и члан који се односи на реактанте у изразу су једнаки. То не значи да су појединачни притисци једнаки, јер коефицијенти утичу на израчунавање.

Када треба узети у обзир стварно понашање гаса које није идеално? Испод приближно 10 atm већина гасова се понаша довољно слично идеалним гасовима за стандардне прорачуне Kp. Изнад те вредности обично се уместо измереног притиска користи фугитивност (ефективни притисак који узима у обзир међумолекулске силе).

Референце

1. Atkins, P. W., & De Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (10. издање). Oxford University Press.
2. Chang, R., & Goldsby, K. A. (2015). Chemistry (12. издање). McGraw-Hill Education.
3. IUPAC (2014). Compendium of Chemical Terminology („Златна књига“).