Główna zawartość
Chemia - program rozszerzony
Course: Chemia - program rozszerzony > Jednostka 11
Lekcja 2: Czynniki wpływające na równowagę chemicznąIloraz reakcji Q
Definicja ilorazu reakcji Q oraz jego użycie w celu określenia kierunku reakcji
Czym jest Q?
Iloraz reakcji Q to miara względnej ilości produktów i substratów obecnych w reakcji w danej chwili czasu.
Dla odwracalnej reakcji start text, a, A, end text, plus, start text, b, B, end text, \leftrightharpoons, start text, c, C, end text, plus, start text, d, D, end text, gdzie start text, a, end text, start text, b, end text, start text, c, end text, i start text, d, end text 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 open bracket, start text, C, end text, close bracket, equals, open bracket, start text, D, end text, close bracket, equals, 0. Ponieważ licznik wynosi zero, Q, equals, 0. Jeśli obecne są tylko produkty, open bracket, start text, A, end text, close bracket, equals, open bracket, start text, B, end text, close bracket, equals, 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).
Użycie Q do przewidywania kierunku reakcji
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, is greater than, 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.
Wizualizacja Q
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, start superscript, minus, 3, end superscript w reakcji obecne są głównie substraty. Dla pośrednich wartości Q, pomiędzy ~10, start superscript, minus, 3, end superscript i 10, cubed, mamy istotną ilość zarówno produktów jak i substratów. Gdy Q jest duże, ~10, cubed, 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.
Przykład
Znając stężenia, oblicz Q.
Jeśli K, equals, 1, comma, 0, w którą stronę zachodzić będzie reakcja o ilorazie początkowym Q?
Jeśli K, equals, 1, comma, 0, w którą stronę zachodzić będzie reakcja o ilorazie początkowym Q?
open bracket, start text, C, O, end text, left parenthesis, g, right parenthesis, close bracket, equals, open bracket, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, g, right parenthesis, close bracket, equals, 1, comma, 0, start text, M, end text
open bracket, start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, g, right parenthesis, close bracket, equals, open bracket, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, g, right parenthesis, close bracket, equals, 15, start text, M, end text
open bracket, start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, g, right parenthesis, close bracket, equals, open bracket, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, g, right parenthesis, close bracket, equals, 15, start text, M, end text
Możemy obliczyć Q zapisując zbilansowane równanie reakcji i używając podanych stężeń.
Jeśli porównamy Q z K, zobaczymy że Q, is greater than, 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!
Podsumowanie
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!
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji