Калькулятор коефіцієнта реакції - Безкоштовний розрахунок значень Q

Що таке калькулятор реакційного коефіцієнта?

Калькулятор реакційного коефіцієнта визначає значення Q — числа, яке порівнює кількість продукту з кількістю реагенту в хімічній реакції в певний момент. Він призначений для реакцій із трьома або меншою кількістю реагентів і продуктів. Введіть стехіометричний коефіцієнт кожної речовини (її коефіцієнт в урівняному рівнянні) та молярну концентрацію, і калькулятор поверне Q разом із формулою та підставленими значеннями.

Що таке реакційний коефіцієнт (Q)?

Реакційний частковий — це відношення концентрацій продуктів до концентрацій реагентів, де кожну концентрацію піднесено до степеня, що дорівнює її коефіцієнту у зрівняному рівнянні. Його можна обчислити в будь-який момент перебігу реакції, а не лише в стані рівноваги. Порівняння Q із константою рівноваги K показує, у якому напрямку відбувається реакція.

Формула реакційного коефіцієнта

Для загальної реакції

$aA + bB \rightarrow cC + dD$

реакційний коефіцієнт дорівнює

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

Тут [A], [B], [C] і [D] — молярні концентрації (моль/л), а a, b, c і d — цілочислові коефіцієнти в урівняному рівнянні. Калькулятор подає це саме правило в загальному вигляді: Q = (∏[Продукти]^ν) / (∏[Реагенти]^ν), де ∏ означає «перемножити всі доданки», а ν позначає коефіцієнт кожної речовини. Чисті тверді речовини та чисті рідини не включають до виразу, оскільки їхні концентрації не змінюються під час реакції.

Як обчислити реакційний частковий

1. Запишіть зрівняне хімічне рівняння.
2. Зазначте коефіцієнт кожного реагенту та продукту.
3. Визначте концентрацію кожної речовини в моль/л у момент, що вас цікавить.
4. Піднесіть кожну концентрацію до степеня, що дорівнює її коефіцієнту.
5. Перемножте доданки для продуктів у чисельнику, а доданки для реагентів — у знаменнику.
6. Поділіть чисельник на знаменник.

Приклад обчислення

Розгляньмо реакцію утворення аміаку:

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

Припустімо, що концентрації становлять $[N_2] = 0.5\text{ M}$, $[H_2] = 0.2\text{ M}$ і $[NH_3] = 0.1\text{ M}$.

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

У цей момент реакції Q дорівнює 2,5.

Q і константа рівноваги (K)

Для Q і K використовують одну й ту саму формулу, але K — це значення Q після припинення змін у реакції, у стані рівноваги, за сталої температури. Порівняння цих двох величин дає змогу передбачити, у якому напрямку зміститься реакція:

• Q < K: реакція перебігає у прямому напрямку, утворюючи більше продукту.
• Q = K: реакція перебуває в стані рівноваги; концентрації перестають змінюватися.
• Q > K: реакція перебігає у зворотному напрямку, утворюючи більше реагентів.

Нульові та невизначені значення Q

Якщо концентрація продукту дорівнює нулю, а всі концентрації реагентів більші за нуль, чисельник дорівнює нулю, тому Q дорівнює 0. Це типово для початку реакції, до утворення значної кількості продукту.

Якщо концентрація будь-якого реагенту дорівнює нулю, знаменник дорівнює нулю, і Q математично не визначений. Калькулятор позначає цей випадок попередженням і показує результат як ∞, оскільки відношення необмежено зростає, коли концентрація реагенту наближається до нуля.

Якщо і реагент, і продукт дорівнюють нулю, відношення становить 0, поділене на 0, і не має єдиного значення. Калькулятор спочатку застосовує правило для нульової концентрації реагенту, тому показує ∞ і попередження.

Застосування реакційного коефіцієнта

Хіміки використовують Q, щоб передбачити напрямок зміщення реакції під час зміни концентрацій; ця ідея пов’язана з принципом Ле Шательє: додавання реагенту знижує Q нижче K, тому реакція зміщується вперед, доки Q знову не зросте до K. Q також входить до рівняння Нернста $E = E^\circ - \frac{RT}{nF}\ln Q$, яке пов’язує напругу електрохімічного елемента з концентраціями відповідних речовин, а також до співвідношення між вільною енергією та перебігом реакції $\Delta G = \Delta G^\circ + RT\ln Q$. Промислові хіміки відстежують Q, щоб оцінити, наскільки процес віддалений від рівноваги, і коригувати умови для підвищення виходу.

Історія

Норвезькі хіміки Като Ґульдберг і Петер Вааге запропонували закон діючих мас у 1864 році, стверджуючи, що швидкості реакцій залежать від концентрацій речовин, які реагують. Ця ідея привела до поняття константи рівноваги K. Пізніше Дж. Віллард Ґіббс пов’язав хімічну рівновагу з вільною енергією в 1870-х роках, завдяки чому Q посів своє місце в термодинаміці: реакція відбувається в напрямку зменшення вільної енергії системи, а Q показує, наскільки система віддалена від мінімуму вільної енергії, представленого K.

Як користуватися калькулятором

1. Виберіть кількість реагентів (від 1 до 3) і продуктів (від 1 до 3).
2. Для кожної речовини введіть її коефіцієнт з урівняного рівняння. Коефіцієнти мають бути цілими числами, що дорівнюють 1 або більше.
3. Введіть концентрацію кожної речовини в моль/л. Концентрації мають дорівнювати нулю або бути додатними числами.
4. Перегляньте значення Q, а також формулу та підставлені числа в розділі результатів.

Поширені запитання

У чому різниця між Q і K? Їх обчислюють за однією й тією самою формулою. Q можна визначити в будь-який момент реакції; K — це значення Q після досягнення реакцією рівноваги за певної температури.

Чи може Q дорівнювати нулю? Так. Якщо концентрація продукту дорівнює нулю, а всі концентрації реагентів більші за нуль, чисельник виразу для Q дорівнює нулю, тому Q дорівнює нулю.

Чи може Q бути невизначеним? Так. Якщо концентрація будь-якого реагенту дорівнює нулю, знаменник дорівнює нулю, через що Q у строгому математичному сенсі є невизначеним. Калькулятор показує цей випадок як ∞ і виводить попередження.

Чи впливає температура на Q? Температура безпосередньо не входить до формули Q, але змінює K і може змінювати концентрації, використані в Q. Порівнюйте Q зі значенням K, виміряним за тієї самої температури.

Чи входять тверді речовини та рідини до виразу для Q? Ні. Чисті тверді речовини та чисті рідини не включають, оскільки їхні концентрації залишаються сталими під час реакції. Враховують лише розчинені та газоподібні речовини.

Чому концентрації підносять до степеня? Показник степеня відповідає коефіцієнту кожної речовини в урівняному рівнянні; це випливає із закону діючих мас. У реакції 2 А → B подвоєння [A] збільшує доданок для реагенту в чотири рази (2²), відображаючи те, що на кожен моль утвореного B реагують два молі A.

Джерела

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