Iloraz reakcji Q

Iloraz reakcji $Q$‍ to miara względnej ilości produktów i substratów obecnych w reakcji w danej chwili czasu.

Dla odwracalnej reakcji $\text{aA}+\text{bB}\leftrightharpoons \text{cC}+\text{dD}$‍, gdzie $\text{a}$‍, $\text{b}$‍, $\text{c}$‍, i $\text{d}$‍ są współczynnikami stechiometrycznymi zbilansowanej reakcji, możemy policzyć $Q$‍ używając poniższego równania:

Wyrażenie to może się wydać znajome ponieważ idea, stojąca za $Q$‍ jest bardzo podobna do tej stojącej ze stałą równowagi reakcji $K$‍. Inaczej niż w wypadku K, gdzie pod uwagę brane są stężenia równowagowe, $Q$‍ może być obliczone niezależnie od tego czy reakcja jest w równowadze czy nie.

Wielkość $Q$‍ mówi nam co mamy w naszym naczyniu reakcyjnym. Co to znaczy? Zacznijmy od rozważenia sytuacji granicznych. Jeśli w danej chwili reakcji obecne są tylko substraty, stężenia produktów wynoszą $[\text{C}]=[\text{D}]=0$‍. Ponieważ licznik wynosi zero, $Q=0$‍. Jeśli obecne są tylko produkty, $[\text{A}]=[\text{B}]=0$‍, więc mianownik wynosi $0$‍ a, wartość $Q$‍ jest nieskończenie duża. W większości wypadków w reakcji będziemy mieli do czynienia z mieszaniną produktów i substratów, ale warto zapamiętać że bardzo małe wartości $Q$‍ oznaczają przewagę substratów, a bardzo duże przewagę produktów w naszej reakcji.

Porównanie $Q$‍ z $K$‍ dla danej reakcji mówi nam w którą stronę zachodzić będzie reakcja w swoim dążeniu do stanu równowagi. Możesz myśleć o tym jako o kolejnym sposobie użycia reguły Le Châteliera (reguły przekory).

Z reguły Le Chateliera wiemy że gdy na układ działa jakiś bodziec wytrącający go z równowagi, układ będzie próbował przeciwdziałać bodźcowi, aby do tej równowagi wrócić. Porównując $Q$‍ z $K$‍ możemy przewidzieć jak reakcja zachowywać się będzie, dążąc do równowagi. Sytuację równowagi również da się wykryć tym porównaniem.

Mamy trzy możliwe sytuacje do rozważenia:

Wróćmy do naszego wyrażenia na $Q$‍ wypisanego powyżej. Mamy stężenia ( lub ciśnienia cząstkowe) produktów w liczniku, a stężenia ( lub ciśnienia cząstkowe) substratów w mianowniku. Jeśli $Q>K$‍ znaczy to, że mamy więcej produktu niż jest obecne w stanie równowagi. W związku z tym reakcja będzie starała się osiągnąć równowagę, używając części produktu do otrzymania substratu - zajdzie reakcja odwrotna.

W tym wypadku Ilość produktu jest mniejsza niż w stanie równowagi, w związku z czym część substratu zostanie użyta do stworzenia produktu, aż do osiągnięcia rówowagi - reakcja będzie zachodzić w "normalną" stronę - od substratu do produktu.

Super! Nasza reakcja jest w równowadze a stężenia nie zmieniają się ponieważ szybkości reakcji w obie strony są równe.

Wiemy że Q może przyjmować wartości od zera ( tylko substraty) do nieskończoności ( tylko produkty). Wiemy, że jeśli nie jesteśmy w równowadze to układ będzie do tej równowagi dążył. Możemy sobie wyobrazić $Q$‍ rysując oś z jej wszystkimi możliwymi wartościami :

Żeby trochę uprościć sprawę, oś może być podzielona na trzy obszary. Dla małych wartości $Q$‍, ~${10}^{-3}$‍ w reakcji obecne są głównie substraty. Dla pośrednich wartości $Q$‍, pomiędzy ~${10}^{-3}$‍ i ${10}^3$‍, mamy istotną ilość zarówno produktów jak i substratów. Gdy $Q$‍ jest duże, ~${10}^3$‍, mamy przewagę produktów.

Jeśli narysujemy $Q$‍ i $K$‍ na tej samej osi, kierunek od $Q$‍ do $K$‍ wskaże zachowanie reakcji. Przy kierunku w prawo tworzy się coraz więcej produktów i reakcja zachodzi w "normalną" stronę. Jeśli idziemy w lewo tworzy się więcej substratów i faworyzowana jest reakcja odwrotna.

Znając stężenia, oblicz $Q$‍.
Jeśli $K=1,0$‍, w którą stronę zachodzić będzie reakcja o ilorazie początkowym $Q$‍?

Możemy obliczyć $Q$‍ zapisując zbilansowane równanie reakcji i używając podanych stężeń.

Jeśli porównamy $Q$‍ z $K$‍, zobaczymy że $Q>K$‍ co oznacza że mamy nadmiar produkty w porównaniu ze stanem równowagi. W związku z powyższym faworyzowana będzie reakcja odwrotna.

Jeśli naniesiemy nasze wartości $Q$‍ i $K$‍ na oś, dostaniemy coś takiego:

Widzimy że $Q$‍ leży w pobliżu obszaru o wyraźnej przewadze produktów - na prawo od $K$‍. Ponieważ reakcja dążyć będzie do równowagi, możemy narysować strzałkę w lewo od $Q$‍ do $K$‍. Wiadomo teraz, że reakcja wykorzysta nadmiar produku do stworzenia substratu i osiągnięcia równowagi.

Jak widać, obie metody - liczbowa i geometryczna - dają tą samą odpowiedź, więc możesz używać tej która bardziej Ci pasuje!

Możemy porównać iloraz reakcji $Q$‍ ze stałą równowagi reakcji $K$‍ w celu ustalenia, w którą stronę zachodzić będzie reakcja w trakcie dążenia do równowagi. $Q$‍ pojawiać się będzie w różnych działach chemii w różnych równaniach ponieważ często będziemy zainteresowani różnymi wielkościami termodynamicznymi w stanie nierównowagi. Bądżcie gotowi na więcej!