Główna zawartość
Kurs: Chemia - program rozszerzony > Rozdział 11
Lekcja 1: Stała równowagi reakcji- Reakcje w równowadze
- Tempo reakcji chemicznej
- Stała równowagi K
- Tempo reakcji w stanie równowagi
- Równowaga w układzie niejednorodnym (wielofazowym)
- Obliczanie stałej równowagi Kp za pomocą ciśnień cząstkowych
- Przybliżenie małego x dla małej K
- Przybliżenie małego x dla dużej K
© 2024 Khan AcademyWarunki użytkowaniapolitykę prywatnościInformacja o plikach cookie
Stała równowagi K
Reakcje odwracalne, równowaga i stała równowagi K. Jak obliczyć K, jak użyć K do stwierdzenia czy reakcja w równowadze faworyzuje produkty lub substraty. Tłumaczenie na język polski: Fundacja Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji Akamai.
Kluczowe informacje
- Reakcja odwracalna może zachodzić w obie strony - od substratów do produktów i na odwrót.
- Równowaga to stan w którym prędkość reakcji jest równa prędkości reakcji do niej odwrotnej. Produkty i substraty są wtedy w równowadze.
- Dana jest reakcja
, stała równowagi , zwana też lub , jest zdefiniowana następująco:
- Dla reakcji niebędących w równowadze możemy napisać podobne wyrażenie zwane ilorazem reakcji
, które w stanie równowagi jest równe . i mogą być użyte do sprawdzenia czy reakcja jest w równowadze, do policzenia stężeń w równowadze oraz do sprawdzenia czy równowaga faworyzuje produkty czy substraty reakcji.
Wstęp, reakcje odwracalne i równowaga.
Reakcje odwracalne mogą zachodzić w obydwu kierunkach. Większość reakcji w zamkniętym układzie jest teoretycznie odwracalna, chociaż niektóre mogą być uznane za nieodwracalne przez silne uprzywilejowanie produktów lub substratów. Reakcje odwracalne zapisujemy podwójną pół-strzałką, - to dobre zaznaczenie, że reakcja może prowadzić do tworzenia zarówno produktów jak i substratów. Przykładem reakcji odwracalnej jest tworzenie się ditlenku azotu, , z tetratlenku diazotu, :
Załóżmy że dodajemy trochę bezbarwnego do pustego pojemnika szklanego w temperaturze pokojowej. Jeśli będziemy obserwować pojemnik przez dłuższy czas, zauważymy postępującą zmianę koloru gazu na żółto-pomarańczowy, aż do osiągnięcia stałego koloru - naszej równowagi. Możemy dla tego procesu wykreślić funkcje stężenia i w czasie , co pokazuje wykres poniżej.
Początkowo fiolka zawiera tylko , a stężenie jest równe 0 M. W trakcie gdy przekształca się w , stężenie zwiększa się do pewnego momentu, wskazanego przez linię kreskowaną na wykresie z lewej i następnie pozostaje stałe. Podobnie stężenie zmniejsza się od początkowego stężenia, aż do osiągnięcia stężenia równowagi. Gdy stężenia i pozostają niezmienne, reakcja osiągnęła równowagę.
Wszystkie reakcje dążą do stanu równowagi, w którym prędkości zachodzenia reakcji pierwotnej i odwrotnej są takie same. Ponieważ prędkości "w przód" i "w tył" są równe, stężenia produktów i substratów są stałe w stanie równowagi. Ważne jest to że mimo stałości stężeń w stanie równowagi, reakcja nadal zachodzi! Z tego powodu czasem ten stan określa się mianem równowagi dynamicznej.
Znając stężenia poszczególnych elementów reakcji w równowadze, możemy zdefiniować liczbę zwaną stałą równowagi , zapisywaną czasem jako lub po prostu . Indeks dolny oznacza stężenie [ang. concentration], ponieważ stała równowagi określa stężenie molowe, w , dla równowagi w określonej temperaturze. Stała równowagi pomaga nam zorientować się, czy reakcja w równowadze preferuje produkty, czy substraty. Możemy też użyć by sprawdzić, czy reakcja osiągnęła już stan równowagi.
Jak obliczyć ?
Rozważmy następującą reakcje odwracalną:
Jeśli znamy stężenia molowe wszystkich elementów reakcji, możemy obliczyć wartość używając związku:
gdzie i są równowagowymi stężeniami produktów; i są równowagowymi stężeniami substratów; natomiast , , , i są stechiometrycznymi współczynnikami ze zbilansowanej reakcji. Stężenia są zwykle wyrażane w molarności, której jednostką jest .
Obliczając należy pamiętać o kilku rzeczach:
odnosi się do konkretnej reakcji w konkretnej temperaturze. Jeśli zmienimy temperaturę, również się zmieni.- Ciała stałe i ciecze w stanie czystym (także rozpuszczalniki) nie wchodzą do wyrażenia na stałą równowagi.
zależnie od podręcznika jest zapisywane bez jednostki lub nie.- Aby otrzymać poprawną wartość
. reakcja musi być zbilansowana najmniejszymi możliwymi liczbami całkowitymi.
Zauważ: Jeśli któryś z substratów jest gazem, możemy zapisać stałą równowagi używając ciśnień parcjalnych gazów. Zwykle tę wartość oznacza się dla odróżnienia od stałej równowagi korzystającej ze stężeń molowych . Tak czy inaczej, w tym artykule skupiamy się na .
Co wielkość może nam powiedzieć o reakcji w równowadze?
Wielkość może nam dać informacje o stężeniu produktów i substratów w stanie równowagi.
- Jeśli
jest bardzo duże, ~1000 lub więcej, w stanie równowagi mamy głównie produkty. - Jeśli
jest bardzo małe, ~0,001 lub mniej, w stanie równowagi mamy głównie substraty. - Jeśli
jest pomiędzy 0,001 i 1000, w stanie równowagi mamy istotne stężenie zarówno produktów jak i substratów.
Używając tych wskazówek możemy szybko zorientować się, czy reakcja odwracalna będzie zachodziła w stronę tworzenia produktów- bardzo duże —będzie zachodziła w stronę tworzenia substratów—bardzo małe —czy coś pomiędzy.
Przykład
Część 1: Obliczanie z koncentracji równowagowych
Rozważmy reakcję dwutlenku siarki i tlenu w efekcie której powstaje trójltlenek siarki:
Reakcja jest w równowadze w temperaturze T, a równowagowe stężenia wynoszą:
Możemy obliczyć dla reakcji w danej temperaturze przez rozwiązanie równania:
Jeśli wstawimy nasze znane stężenia równowagowe do równania, otrzymamy:
Zauważ że ponieważ value jest pomiędzy 0,001 a 1000 oczekujemy że w tej reakcji otrzymamy istotną ilość zarówno produktów jak i substratów - reakcja nie faworyzuje silnie żadnych z nich.
Część 2: Użycie ilorazu reakcji do sprawdzenia czy reakcja jest w równowadze
Teraz wiemy, że stała równowagi w tej temperaturze . Załóżmy że mamy tę samą reakcję w tej samej temperaturze ale tym razem mamy inne stężenia elementów reakcji w naczyniu reakcyjnym:
Chcielibyśmy wiedzieć czy ta reakcja jest w równowadze. Gdy nie jesteśmy tego pewni liczymy iloraz reakcji, :
Możesz się teraz zastanowić dlaczego te dwa równania wyglądają tak podobnie i czym w zasadzie różni się od . Główna różnicą jest to, że możemy policzyć niezależnie od tego czy reakcja jest w równowadze czy nie, natomiast jest przypisane stanowi równowagi. Porównując z , możemy powiedzieć czy reakcja jest w stanie równowagi ponieważ wtedy
Jeśli policzymy używając stężeń podanych powyżej, otrzymujemy:
Ponieważ nasza wartość jest równa , wiemy że nasza nowa reakcja również jest w równowadze. Hura!
Przykład 2: Użycie do znalezienia składu równowagowego
Rozważmy równowagową mieszaninę , i :
Możemy wypisać wzór na stałą równowagi:
Wiemy że stała równowagi wynosi constant is w naszej temperaturze, oraz znamy stężęnia równowagowe:
Jakie jest stężenie w równowadze?
Ponieważ jest mniejsze niż 0,001, przewidujemy że w stanie równowagi substraty i będą obecne w dużo większym stężeniu niż produkt, . W związki z tym oczekujemy że stężenie będzie bardzo niskie w porównaniu ze stężeniami substratów.
Jeśli wiemy, że równowagowe stężenia dla i wynoszą 0,1 M, możemy z równania na stałą równowagi wyznaczyć stężenie :
Jeśli wstawimy nasze stężenia równowagowe i wartość , otrzymamy:
Tak jak przewidywaliśmy, stężenie , , jest dużo mniejsze niż stężenia substratów, i .
Podsumowanie
- Reakcja odwracalna może zachodzić w obie strony - od substratów do produktów i na odwrót.
- Równowaga to stan w którym prędkość reakcji jest równa prędkości reakcji do niej odwrotnej. Produkty i substraty są wtedy w równowadze.
- W przypadku równania
, stała równowagi , zwana też lub , jest definiowana przy użyciu stężeń molowych:
- Dla reakcji niebędących w równowadze możemy napisać podobne wyrażenie zwane ilorazem reakcji
, które w stanie równowagi jest równe . może być użyte do sprawdzenia czy reakcja jest w równowadze, do policzenia stężeń równowagowych, i do sprawdzenia czy reakcja w równowadze faworyzuje produkty lub substraty.
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji