Jämviktskonstantberäknare (K) - Beräkna Kc för kemiska reaktioner

Vad är en jämviktskonstant?

En reaktion som kan gå både framåt och bakåt är en reversibel reaktion. Den når jämvikt när framåt- och bakåtreaktionerna sker med samma hastighet, så att mängderna av de olika ämnena slutar förändras. Jämviktskonstanten (K) är ett tal som jämför mängden produkt med mängden reaktant vid den tidpunkten. Den här kalkylatorn beräknar K utifrån de koncentrationer och koefficienter du anger.

Formel för jämviktskonstanten

För en balanserad reaktion:

$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$

är uttrycket för jämviktskonstanten:

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

Produkterna skrivs över bråkstrecket och reaktanterna under det. Hakparenteserna betyder ”koncentration i mol per liter (mol/L)”. Varje koncentration upphöjs till den potens som motsvarar dess koefficient i den balanserade reaktionsformeln.

Så beräknas jämviktskonstanten

1. Skriv den balanserade reaktionsformeln och notera varje koefficient.
2. Bestäm varje koncentration vid jämvikt, inte i början av reaktionen.
3. Upphöj varje koncentration till den potens som motsvarar dess koefficient.
4. Multiplicera produkttermerna med varandra och reaktanttermerna med varandra. Dividera sedan det första resultatet med det andra.

Exempel: Bildning av vätejodid

Reaktionen H₂ + I₂ ⇌ 2HI når jämvikt i en sluten behållare. Anta att jämviktskoncentrationerna är:

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

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

K är här ett måttligt stort tal, så mätbara mängder av både reaktanterna och produkterna finns kvar vid jämvikt.

Exempel: Syntes av ammoniak (Haberprocessen)

Reaktionen N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ bildar ammoniak som används till gödselmedel. Anta att följande jämviktskoncentrationer har uppmätts:

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

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

Koefficienten 3 för H₂ blir exponenten 3 i formeln. Ett K-värde över 100 betyder att reaktionen under dessa förhållanden gynnar produkterna.

Vad som ingår i jämviktsuttrycket

Endast gaser och lösta ämnen ingår i K. Rena fasta ämnen och rena vätskor utelämnas, eftersom deras koncentration förblir densamma oavsett hur mycket som finns. För reaktionen CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) är uttrycket helt enkelt K = [CO₂]. De två fasta ämnena utelämnas.

Ett K-värde gäller endast vid den temperatur där det uppmättes. Om temperaturen ändras ändras även K. Tryck och katalysatorer påverkar hur snabbt en reaktion når jämvikt, men inget av dem ändrar K-värdet.

Typer av jämviktskonstanter

Kemister använder olika beteckningar beroende på vad som mäts.

• Kc: baseras på koncentrationer i mol/L. Det är detta som kalkylatorn ovan beräknar.
• Kp: baseras på gasernas partialtryck och är relaterad till Kc genom Kp = Kc(RT)^Δn.
• Ka och Kb: beskriver hur långt en svag syra eller svag bas protolyseras i vatten.
• Ksp: beskriver hur mycket av ett fast ämne som löses i vatten och kallas löslighetsprodukt.

Alla följer samma regel: produkter över reaktanter, där varje term upphöjs till den potens som motsvarar dess koefficient.

Använda kalkylatorn

Välj hur många reaktanter och produkter reaktionen har, upp till fem av varje. Ange koncentrationen i mol/L och koefficienten från den balanserade reaktionsformeln för varje ämne. Kalkylatorn multiplicerar automatiskt termerna på båda sidor och dividerar resultaten.

Varje koncentration måste vara större än noll, och varje koefficient måste vara ett heltal på 1 eller högre. Om något annat anges markeras fältet med ett felmeddelande och inget resultat visas. Resultat mellan 0,001 och 1000 visas med fyra decimaler, till exempel 8,0000. Värden över 1000 eller under 0,001 visas i stället i vetenskaplig notation, så 12 340 visas som 1.2340e+4.

K anges som ett vanligt tal utan enhet. Kemister jämför normalt varje koncentration med standardkoncentrationen 1 mol/L före beräkningen, vilket gör att enheterna försvinner.

Ett vanligt misstag är att ange startkoncentrationer i stället för jämviktskoncentrationer. Då får man reaktionskvoten Q i stället för K. Q använder samma formel som K men kan beräknas när som helst under reaktionen, inte bara vid jämvikt. Genom att jämföra Q med K ser man åt vilket håll reaktionen fortfarande behöver förskjutas: om Q är mindre än K går reaktionen mot produkterna; om Q är större än K går den mot reaktanterna.

Vanliga frågor

Vad betyder ett stort eller litet K-värde?

Ett K som är mycket större än 1 betyder att reaktionen vid jämvikt gynnar produkterna. Ett K som är mycket mindre än 1 betyder att den gynnar reaktanterna. Ett K nära 1 betyder att båda sidorna förekommer i ungefär lika stora mängder.

Varför utelämnas fasta ämnen och vätskor i K-uttrycket?

Eftersom deras koncentration inte förändras. Ett block av ett fast ämne har samma densitet oavsett om det är stort eller litet, så om det togs med skulle K endast multipliceras med en konstant, vilket inte förändrar värdet.

Förändrar temperaturen K?

Ja. Om temperaturen höjs ökar K för reaktioner som upptar värme och minskar K för reaktioner som avger värme. Ett K-värde gäller endast vid den temperatur där det bestämdes.

Förändrar tryck eller en katalysator K?

Nej. En katalysator ökar hastigheten med vilken en reaktion når jämvikt, men förskjuter inte själva jämvikten. Tryck kan ändra gasernas koncentrationer vid jämvikt, men K som beräknas utifrån de nya koncentrationerna förblir detsamma.

Kan K vara negativt?

Nej. K beräknas utifrån koncentrationer, som alltid är positiva, upphöjda till positiva heltalsexponenter. Därför är K alltid positivt. Kalkylatorn avvisar en koncentration som är noll eller mindre och visar i stället ett felmeddelande.

Vad är skillnaden mellan K och Q?

K beskriver en reaktion när den har nått jämvikt. Q använder samma formel men utgår från koncentrationer vid vilken annan tidpunkt som helst. Genom att jämföra Q med K kan man förutsäga åt vilket håll reaktionen kommer att förskjutas härnäst.

Historia

De norska kemisterna Cato Guldberg och Peter Waage formulerade massverkans lag 1864. Den ledde till det uttryck för jämviktskonstanten som används i dag. Den nederländske kemisten Jacobus van 't Hoff utredde senare hur K beror på temperaturen, som en del av den forskning som gav honom det första Nobelpriset i kemi 1901.