Калькулятор константи рівноваги (K) - Розрахунок Kc для хімічних реакцій

Що таке константа рівноваги?

Реакція, яка може відбуватися в прямому й зворотному напрямках, називається оборотною реакцією. Вона досягає рівноваги, коли пряма та зворотна реакції відбуваються з однаковою швидкістю, тому кількості кожної речовини перестають змінюватися. Константа рівноваги (K) — це число, яке порівнює кількість продукту з кількістю реагенту в цей момент. Цей калькулятор визначає K за введеними концентраціями та коефіцієнтами.

Формула константи рівноваги

Для урівноваженої реакції:

$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$

вираз для константи рівноваги має вигляд:

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

Продукти записують у чисельнику, а реагенти — у знаменнику. Квадратні дужки означають «концентрація в молях на літр (моль/л)». Кожну концентрацію підносять до степеня, що дорівнює її коефіцієнту в урівноваженому рівнянні.

Як обчислити константу рівноваги

1. Запишіть урівноважене рівняння та зазначте кожен коефіцієнт.
2. Визначте кожну концентрацію в стані рівноваги, а не на початку реакції.
3. Піднесіть кожну концентрацію до степеня, що дорівнює її коефіцієнту.
4. Перемножте між собою доданки для продуктів, перемножте між собою доданки для реагентів, а потім поділіть перший результат на другий.

Приклад: утворення йодоводню

Реакція H₂ + I₂ ⇌ 2HI досягає рівноваги в герметичній посудині. Припустімо, що рівноважні концентрації такі:

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

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

У цьому випадку K має помірне значення, тому в стані рівноваги зберігаються вимірювані кількості обох реагентів і продуктів.

Приклад: синтез аміаку (процес Габера)

Реакція N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ утворює аміак для виробництва добрив. Припустімо, що виміряні рівноважні концентрації такі:

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

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

Коефіцієнт 3 при H₂ стає показником степеня 3 у формулі. Значення K понад 100 означає, що за цих умов реакція спрямована в бік продуктів.

Що враховується у виразі для константи рівноваги

До виразу для K входять лише гази та розчинені речовини. Чисті тверді речовини й чисті рідини не враховують, оскільки їхня концентрація залишається сталою незалежно від кількості речовини. Для реакції CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) вираз має вигляд просто K = [CO₂]. Дві тверді речовини не враховують.

Значення K застосовне лише за тієї температури, за якої його виміряли. Зміна температури змінює саму K. Тиск і каталізатори впливають на швидкість досягнення реакцією рівноваги, але жоден із них не змінює значення K.

Типи констант рівноваги

Хіміки використовують різні позначення залежно від того, що вимірюють.

• Kc: визначається за концентраціями в моль/л. Саме це значення обчислює наведений вище калькулятор.
• Kp: визначається за парціальними тисками газів і пов’язана з Kc співвідношенням Kp = Kc(RT)^Δn.
• Ka і Kb: описують ступінь дисоціації слабкої кислоти або слабкої основи у воді.
• Ksp: характеризує, яка кількість твердої речовини розчиняється у воді; називається добутком розчинності.

Для кожної з них діє одне правило: продукти записують над реагентами, а кожен із них підносять до степеня, що дорівнює його коефіцієнту.

Використання калькулятора

Виберіть кількість реагентів і продуктів у реакції — до п’яти кожного виду. Для кожної речовини введіть її концентрацію в моль/л і коефіцієнт з урівноваженого рівняння. Калькулятор автоматично перемножує вирази в чисельнику та знаменнику й ділить один результат на інший.

Кожна концентрація має бути більшою за нуль, а кожен коефіцієнт — цілим числом 1 або більшим. Якщо ввести будь-що інше, поле буде позначено як помилкове, і результат не відобразиться. Результати від 0,001 до 1000 відображаються з чотирма знаками після коми, наприклад 8,0000. Значення понад 1000 або менші за 0,001 відображаються в науковій нотації, тому 12 340 показується як 1.2340e+4.

K подається як звичайне число без одиниці вимірювання. Хіміки зазвичай спочатку порівнюють кожну концентрацію зі стандартною концентрацією 1 mol/л, після чого одиниці скорочуються під час обчислення.

Поширена помилка — вводити початкові концентрації замість рівноважних. У такому разі отримують реакційний коефіцієнт Q, а не K. Для Q використовують ту саму формулу, що й для K, але його можна обчислити в будь-який момент реакції, а не лише в стані рівноваги. Порівняння Q з K показує, у якому напрямку реакція ще має зміститися: якщо Q менше за K, реакція рухається в бік продуктів; якщо Q більше за K, вона рухається в бік реагентів.

Поширені запитання

Що означає велике або мале значення K?

Значення K, набагато більше за 1, означає, що в стані рівноваги реакція спрямована в бік продуктів. Значення K, набагато менше за 1, означає, що вона спрямована в бік реагентів. Значення K, близьке до 1, означає, що обидві сторони представлені в подібних кількостях.

Чому тверді речовини та рідини не враховують у виразі для K?

Тому що їхня концентрація не змінюється. Брусок твердої речовини має однакову густину незалежно від того, великий він чи малий, тому його врахування лише помножило б K на сталу величину, яка ніколи не змінюється.

Чи змінює температура K?

Так. Підвищення температури збільшує K для реакцій, що поглинають тепло, і зменшує K для реакцій, що виділяють тепло. Значення K дійсне лише за тієї температури, за якої його визначили.

Чи змінює тиск або каталізатор K?

Ні. Каталізатор пришвидшує досягнення реакцією рівноваги, але не зміщує саму рівновагу. Тиск може змінювати концентрації газів у стані рівноваги, але K, обчислене за цими новими концентраціями, залишається таким самим.

Чи може K бути від’ємною?

Ні. K визначають за концентраціями, які завжди додатні, піднесеними до додатних цілих степенів, тому K завжди додатна. Калькулятор відхиляє концентрацію, що дорівнює нулю або є меншою за нього, і показує помилку замість числа.

У чому різниця між K і Q?

K описує реакцію після досягнення нею стану рівноваги. Для Q використовують ту саму формулу, але концентрації беруть у будь-який інший момент. Порівняння Q з K дає змогу передбачити, у якому напрямку реакція зміститься далі.

Історія

Норвезькі хіміки Като Ґульдберґ і Петер Вааге запропонували закон діючих мас у 1864 році. На його основі з’явився вираз для константи рівноваги, який використовують сьогодні. Нідерландський хімік Якобус Генрікус ван ’т Гофф пізніше визначив, як K залежить від температури; це було частиною досліджень, за які він отримав першу Нобелівську премію з хімії в 1901 році.