Główna zawartość
Chemia - program rozszerzony
Kurs: Chemia - program rozszerzony > Rozdział 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 to miara względnej ilości produktów i substratów obecnych w reakcji w danej chwili czasu.
Dla odwracalnej reakcji , gdzie , , , i są współczynnikami stechiometrycznymi zbilansowanej reakcji, możemy policzyć używając poniższego równania:
Wyrażenie to może się wydać znajome ponieważ idea, stojąca za jest bardzo podobna do tej stojącej ze stałą równowagi reakcji . Inaczej niż w wypadku K, gdzie pod uwagę brane są stężenia równowagowe, może być obliczone niezależnie od tego czy reakcja jest w równowadze czy nie.
Wielkość 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 . Ponieważ licznik wynosi zero, . Jeśli obecne są tylko produkty, , więc mianownik wynosi a, wartość jest nieskończenie duża. W większości wypadków w reakcji będziemy mieli do czynienia z mieszaniną produktów i substratów, ale warto zapamiętać że bardzo małe wartości oznaczają przewagę substratów, a bardzo duże przewagę produktów w naszej reakcji.
Porównanie z 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 z 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 wypisanego powyżej. Mamy stężenia ( lub ciśnienia cząstkowe) produktów w liczniku, a stężenia ( lub ciśnienia cząstkowe) substratów w mianowniku. Jeśli 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 rysując oś z jej wszystkimi możliwymi wartościami :
Żeby trochę uprościć sprawę, oś może być podzielona na trzy obszary. Dla małych wartości , ~ w reakcji obecne są głównie substraty. Dla pośrednich wartości , pomiędzy ~ i , mamy istotną ilość zarówno produktów jak i substratów. Gdy jest duże, ~ , mamy przewagę produktów.
Jeśli narysujemy i na tej samej osi, kierunek od do 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 .
Jeśli , w którą stronę zachodzić będzie reakcja o ilorazie początkowym ?
Jeśli
Możemy obliczyć zapisując zbilansowane równanie reakcji i używając podanych stężeń.
Jeśli porównamy z , zobaczymy że co oznacza że mamy nadmiar produkty w porównaniu ze stanem równowagi. W związku z powyższym faworyzowana będzie reakcja odwrotna.
Jeśli naniesiemy nasze wartości i na oś, dostaniemy coś takiego:
Widzimy że leży w pobliżu obszaru o wyraźnej przewadze produktów - na prawo od . Ponieważ reakcja dążyć będzie do równowagi, możemy narysować strzałkę w lewo od do . 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 ze stałą równowagi reakcji w celu ustalenia, w którą stronę zachodzić będzie reakcja w trakcie dążenia do równowagi. 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