Reaktionskvotskalkylator - Beräkna Q-värden Gratis

Vad är en kalkylator för reaktionskvoten?

En kalkylator för reaktionskvoten beräknar värdet på Q, ett tal som jämför mängden produkt med mängden reaktant i en kemisk reaktion vid ett visst ögonblick. Den fungerar för reaktioner med upp till tre reaktanter och tre produkter. Ange varje ämnes stökiometriska koefficient (dess tal i den balanserade ekvationen) och molära koncentration, så returnerar kalkylatorn Q tillsammans med formeln och de insatta värdena.

Vad är reaktionskvoten (Q)?

Reaktionskvoten är förhållandet mellan produktkoncentrationerna och reaktantkoncentrationerna, där varje koncentration upphöjs till den potens som motsvarar dess koefficient i den balanserade ekvationen. Den kan beräknas när som helst under en reaktion, inte bara vid jämvikt. En jämförelse mellan Q och jämviktskonstanten K visar åt vilket håll reaktionen är på väg.

Formel för reaktionskvoten

För en allmän reaktion

$aA + bB \rightarrow cC + dD$

reaktionskvoten är

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

Här är [A], [B], [C] och [D] molära koncentrationer (mol/L), och a, b, c och d är heltalskoefficienterna från den balanserade ekvationen. Kalkylatorn visar samma regel i allmän form som Q = (∏[Produkter]^ν) / (∏[Reaktanter]^ν), där ∏ betyder ”multiplicera alla termer med varandra” och ν står för varje ämnes koefficient. Rena fasta ämnen och rena vätskor utelämnas ur uttrycket, eftersom deras koncentrationer inte förändras under reaktionen.

Så beräknas reaktionskvoten

1. Skriv den balanserade kemiska ekvationen.
2. Notera koefficienten för varje reaktant och produkt.
3. Bestäm koncentrationen för varje ämne, i mol/L, vid det aktuella ögonblicket.
4. Upphöj varje koncentration till den potens som motsvarar dess koefficient.
5. Multiplicera produkttermerna med varandra i täljaren och reaktanttermerna med varandra i nämnaren.
6. Dividera täljaren med nämnaren.

Räkneexempel

Betrakta reaktionen som bildar ammoniak:

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

Anta att koncentrationerna är $[N_2] = 0.5\text{ M}$, $[H_2] = 0.2\text{ M}$ och $[NH_3] = 0.1\text{ M}$.

$Q = \frac{[NH_3]^2}{[N_2]^1[H_2]^3} = \frac{(0.1)^2}{(0.5)(0.2)^3} = \frac{0.01}{0.004} = 2.5$

Q är 2,5 vid detta ögonblick i reaktionen.

Q jämfört med jämviktskonstanten (K)

Q och K använder samma formel, men K är det värde som Q antar när reaktionen har slutat förändras, vid jämvikt och en fast temperatur. En jämförelse mellan de två förutsäger åt vilket håll en reaktion kommer att förskjutas:

• Q < K: reaktionen går framåt och bildar mer produkt.
• Q = K: reaktionen är i jämvikt; koncentrationerna slutar förändras.
• Q > K: reaktionen går bakåt och bildar mer reaktant.

Nollvärden och odefinierade värden för Q

Om en produktkoncentration är noll och alla reaktantkoncentrationer är större än noll, är täljaren noll, så Q är 0. Detta är typiskt nära början av en reaktion, innan någon större mängd produkt har bildats.

Om någon reaktantkoncentration är noll är nämnaren noll och Q är matematiskt odefinierat. Kalkylatorn markerar detta fall med en varning och visar resultatet som ∞, eftersom förhållandet växer utan gräns när reaktantkoncentrationen närmar sig noll.

Om en reaktant och en produkt båda är noll är förhållandet 0 dividerat med 0, vilket inte har något entydigt värde. Kalkylatorn tillämpar regeln för noll reaktant först, så den visar ∞ och varningen.

Användningsområden för reaktionskvoten

Kemister använder Q för att förutsäga åt vilket håll en reaktion förskjuts när koncentrationerna förändras, en idé som hänger samman med Le Chateliers princip: om mer reaktant tillsätts sjunker Q under K, så förskjuts reaktionen framåt tills Q åter stiger till K. Q förekommer också i Nernsts ekvation, $E = E^\circ - \frac{RT}{nF}\ln Q$, som relaterar spänningen i en elektrokemisk cell till koncentrationerna av de berörda ämnena, samt i sambandet mellan fri energi och reaktionsförlopp, $\Delta G = \Delta G^\circ + RT\ln Q$. Industriella kemister följer Q för att bedöma hur långt en process befinner sig från jämvikt och för att anpassa förhållandena för bättre utbyte.

Historia

De norska kemisterna Cato Guldberg och Peter Waage föreslog massverkans lag 1864 och hävdade att reaktionshastigheter beror på koncentrationerna av de reagerande ämnena. Denna idé ledde till jämviktskonstanten K. J. Willard Gibbs kopplade senare kemisk jämvikt till fri energi under 1870-talet, vilket gav Q en plats inom termodynamiken: en reaktion fortskrider i den riktning som sänker systemets fria energi, och Q mäter hur långt systemet befinner sig från det minimum av fri energi som representeras av K.

Så använder du kalkylatorn

1. Välj antalet reaktanter (1 till 3) och produkter (1 till 3).
2. Ange koefficienten från den balanserade ekvationen för varje ämne. Koefficienterna måste vara heltal på 1 eller högre.
3. Ange koncentrationen för varje ämne i mol/L. Koncentrationerna måste vara noll eller ett positivt tal.
4. Läs av Q-värdet, tillsammans med formeln och de insatta talen, i resultatavsnittet.

Vanliga frågor och svar

Vad är skillnaden mellan Q och K? De beräknas med samma formel. Q kan bestämmas när som helst under en reaktion; K är det värde som Q antar när reaktionen når jämvikt vid en viss temperatur.

Kan Q vara noll? Ja. Om en produkt har koncentrationen noll medan alla reaktantkoncentrationer är större än noll, är täljaren i Q-uttrycket noll, så Q är noll.

Kan Q vara odefinierat? Ja. Om någon reaktant har koncentrationen noll är nämnaren noll, vilket gör Q odefinierat i strikt matematisk mening. Kalkylatorn visar detta fall som ∞ och visar en varning.

Påverkar temperaturen Q? Temperaturen ingår inte direkt i Q-formeln, men den ändrar K och kan ändra de koncentrationer som används i Q. Jämför Q med ett K-värde som har uppmätts vid samma temperatur.

Förekommer fasta ämnen och vätskor i Q-uttrycket? Nej. Rena fasta ämnen och rena vätskor utelämnas, eftersom deras koncentrationer förblir konstanta under reaktionen. Endast lösta och gasformiga ämnen tas med.

Varför upphöjs koncentrationerna till en potens? Potensen motsvarar varje ämnes koefficient i den balanserade ekvationen, enligt massverkans lag. I reaktionen 2 A → B innebär en fördubbling av [A] att reaktanttermen ökar med en faktor fyra (2²), vilket avspeglar att två mol A reagerar för varje mol B som bildas.

Referenser

1. Atkins, P. W., & de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (10:e uppl.). Oxford University Press.
2. Chang, R., & Goldsby, K. A. (2015). Chemistry (12:e uppl.). McGraw-Hill Education.
3. Petrucci, R. H., Herring, F. G., Madura, J. D. och Bissonnette, C. (2016). General Chemistry: Principles and Modern Applications (11:e uppl.). Pearson.
4. Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P. M. och Stoltzfus, M. W. (2017). Chemistry: The Central Science (14 uppl.). Pearson.