If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Jeżeli jesteś za filtrem sieci web, prosimy, upewnij się, że domeny *.kastatic.org i *.kasandbox.org są odblokowane.

Główna zawartość

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 aA+bBcC+dD, stała równowagi Kc, zwana też K lub Keq, jest zdefiniowana następująco:
Kc=[C]c[D]d[A]a[B]b
  • Dla reakcji niebędących w równowadze możemy napisać podobne wyrażenie zwane ilorazem reakcji Q, które w stanie równowagi jest równe Kc.
  • Kc i Q 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, NO2, z tetratlenku diazotu, N2O4:
N2O4(g)2NO2(g)
Załóżmy że dodajemy trochę bezbarwnego N2O4(g) 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 NO2 i N2O4 w czasie , co pokazuje wykres poniżej.
Wykres pokazujący odwracalną przemianę czterotlenku dwuazotu w dwutlenek azotu. Czas oznaczony kreskowaną linią to czas osiągnięcia równowagi - po jego upłynięciu stężenia produktu i substratu są stałe. Źródło: Graph modified from OpenStax Chemistry, CC BY 4.0
Początkowo fiolka zawiera tylko N2O4, a stężenie NO2 jest równe 0 M. W trakcie gdy N2O4 przekształca się w NO2, stężenie NO2 zwiększa się do pewnego momentu, wskazanego przez linię kreskowaną na wykresie z lewej i następnie pozostaje stałe. Podobnie stężenie N2O4 zmniejsza się od początkowego stężenia, aż do osiągnięcia stężenia równowagi. Gdy stężenia NO2 i N2O4 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 Kc, zapisywaną czasem jako Keq lub po prostu K. Indeks dolny c oznacza stężenie [ang. concentration], ponieważ stała równowagi określa stężenie molowe, w molL, dla równowagi w określonej temperaturze. Stała równowagi pomaga nam zorientować się, czy reakcja w równowadze preferuje produkty, czy substraty. Możemy też użyć Kc by sprawdzić, czy reakcja osiągnęła już stan równowagi.

Jak obliczyć Kc?

Rozważmy następującą reakcje odwracalną:
aA+bBcC+dD
Jeśli znamy stężenia molowe wszystkich elementów reakcji, możemy obliczyć wartość Kc używając związku:
Kc=[C]c[D]d[A]a[B]b
gdzie [C] i [D] są równowagowymi stężeniami produktów; [A] i [B] są równowagowymi stężeniami substratów; natomiast a, b, c, i d są stechiometrycznymi współczynnikami ze zbilansowanej reakcji. Stężenia są zwykle wyrażane w molarności, której jednostką jest moll.
Tetratlenek diazotu, bezbarwna ciecz i gaz, jest w równowadze z ditlenkiem azotu, pomarańczowo-brązowym gazem. Stała równowagi i stężenia obu elementów reakcji zależą od temperatury! Temperatury ampułek od lewej do prawej wynoszą: -196 C, 0 C, 23 C, 35 C, oraz 50 C. Zdjęćie pochodzi z: Eframgoldberg on Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
Obliczając Kc należy pamiętać o kilku rzeczach:
  • Kc odnosi się do konkretnej reakcji w konkretnej temperaturze. Jeśli zmienimy temperaturę, Kc również się zmieni.
  • Ciała stałe i ciecze w stanie czystym (także rozpuszczalniki) nie wchodzą do wyrażenia na stałą równowagi.
  • Kc zależnie od podręcznika jest zapisywane bez jednostki lub nie.
  • Aby otrzymać poprawną wartość Kc. 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 Kp dla odróżnienia od stałej równowagi korzystającej ze stężeń molowych Kc. Tak czy inaczej, w tym artykule skupiamy się na Kc.

Co wielkość Kc może nam powiedzieć o reakcji w równowadze?

Wielkość Kc może nam dać informacje o stężeniu produktów i substratów w stanie równowagi.
  • Jeśli Kc jest bardzo duże, ~1000 lub więcej, w stanie równowagi mamy głównie produkty.
  • Jeśli Kc jest bardzo małe, ~0,001 lub mniej, w stanie równowagi mamy głównie substraty.
  • Jeśli Kc 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 Kc—będzie zachodziła w stronę tworzenia substratów—bardzo małe Kc—czy coś pomiędzy.

Przykład

Część 1: Obliczanie Kc z koncentracji równowagowych

Rozważmy reakcję dwutlenku siarki i tlenu w efekcie której powstaje trójltlenek siarki:
2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)
Reakcja jest w równowadze w temperaturze T, a równowagowe stężenia wynoszą:
[SO2]=0,90M[O2]=0,35M[SO3]=1,1M
Możemy obliczyć Kc dla reakcji w danej temperaturze T przez rozwiązanie równania:
Kc=[SO3]2[SO2]2[O2]
Jeśli wstawimy nasze znane stężenia równowagowe do równania, otrzymamy:
Kc=[SO3]2[SO2]2[O2]=[1,1]2[0,90]2[0,35]=4,3
Zauważ że ponieważ Kc 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 Q do sprawdzenia czy reakcja jest w równowadze

Teraz wiemy, że stała równowagi w tej temperaturze Kc=4,3. Załóżmy że mamy tę samą reakcję w tej samej temperaturze ale tym razem mamy inne stężenia elementów reakcji w naczyniu reakcyjnym:
[SO2]=3,6M[O2]=0,087M[SO3]=2,2M
Chcielibyśmy wiedzieć czy ta reakcja jest w równowadze. Gdy nie jesteśmy tego pewni liczymy iloraz reakcji, Q:
Q=[SO3]2[SO2]2[O2]
Możesz się teraz zastanowić dlaczego te dwa równania wyglądają tak podobnie i czym w zasadzie różni się Q od Kc. Główna różnicą jest to, że możemy policzyć Q niezależnie od tego czy reakcja jest w równowadze czy nie, natomiast Kc jest przypisane stanowi równowagi. Porównując Q z Kc, możemy powiedzieć czy reakcja jest w stanie równowagi ponieważ wtedy Q=Kc
Jeśli policzymy Q używając stężeń podanych powyżej, otrzymujemy:
Q=[SO3]2[SO2]2[O2]=[2,2]2[3,6]2[0,087]=4,3
Ponieważ nasza wartość Q jest równa Kc, wiemy że nasza nowa reakcja również jest w równowadze. Hura!

Przykład 2: Użycie Kc do znalezienia składu równowagowego

Rozważmy równowagową mieszaninę N2, O2 i NO:
N2(g)+O2(g)2NO(g)
Możemy wypisać wzór na stałą równowagi:
Kc=[NO]2[N2][O2]
Wiemy że stała równowagi wynosi constant is 3,4×1021 w naszej temperaturze, oraz znamy stężęnia równowagowe:
[N2]=[O2]=0,1M
Jakie jest stężenie NO(g) w równowadze?
Ponieważ Kc jest mniejsze niż 0,001, przewidujemy że w stanie równowagi substraty N2 i O2 będą obecne w dużo większym stężeniu niż produkt, NO. W związki z tym oczekujemy że stężenie NO będzie bardzo niskie w porównaniu ze stężeniami substratów.
Jeśli wiemy, że równowagowe stężenia dla N2 i O2 wynoszą 0,1 M, możemy z równania na stałą równowagi wyznaczyć stężenie NO:
Kc=[NO]2[N2][O2]                Przekształćmy równanie tak aby po jednej ze stron został tylko człon NO 
[NO]2=K[N2][O2]       Spierwiastkujmy wyrażenie stronami żeby uzyskać wzró na [NO].
[NO]=K[N2][O2]
Jeśli wstawimy nasze stężenia równowagowe i wartość Kc, otrzymamy:
[NO]=K[N2][O2]=K[N2][O2]=(3,4×1021)(0,1)(0,1)=5,8×1012M
Tak jak przewidywaliśmy, stężenie NO, 5,8×1012M, jest dużo mniejsze niż stężenia substratów,[N2] i [O2].

Podsumowanie

Jeśli liczba ludzi wchodzących do wody jest równa liczbie ludzi wychodzących z wody, to układ jest w równowadze! Łączna liczba ludzi na plaży i w wodzie jest stała mimo że plażowicze cały czas przechodzą między piaskiem i wodą. Image credit: penreyes on flickr, CC BY 2.0
  • 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 aA+bBcC+dD, stała równowagi Kc, zwana też K lub Keq, jest definiowana przy użyciu stężeń molowych:
Kc=[C]c[D]d[A]a[B]b
  • Dla reakcji niebędących w równowadze możemy napisać podobne wyrażenie zwane ilorazem reakcji Q, które w stanie równowagi jest równe Kc.
  • Kc 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
Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.