Iloraz reakcji Q

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

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

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

Wielkość $Q$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 $[\text C]=[\text D]=0$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, $Q=0$Q, equals, 0. Jeśli obecne są tylko produkty, $[\text A]=[\text B]=0$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$0 a, wartość $Q$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 $Q$Q oznaczają przewagę substratów, a bardzo duże przewagę produktów w naszej reakcji.

Porównanie $Q$Q z $K$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 $Q$Q z $K$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 $Q$Q wypisanego powyżej. Mamy stężenia ( lub ciśnienia cząstkowe) produktów w liczniku, a stężenia ( lub ciśnienia cząstkowe) substratów w mianowniku. Jeśli $Q>K$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.

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 $Q$Q rysując oś z jej wszystkimi możliwymi wartościami :

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

Jeśli narysujemy $Q$Q i $K$K na tej samej osi, kierunek od $Q$Q do $K$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 $Q$Q.
Jeśli $K=1{,}0$K, equals, 1, comma, 0, w którą stronę zachodzić będzie reakcja o ilorazie początkowym $Q$Q?

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

Jeśli porównamy $Q$Q z $K$K, zobaczymy że $Q>K$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 $Q$Q i $K$K na oś, dostaniemy coś takiego:

Widzimy że $Q$Q leży w pobliżu obszaru o wyraźnej przewadze produktów - na prawo od $K$K. Ponieważ reakcja dążyć będzie do równowagi, możemy narysować strzałkę w lewo od $Q$Q do $K$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 $Q$Q ze stałą równowagi reakcji $K$K w celu ustalenia, w którą stronę zachodzić będzie reakcja w trakcie dążenia do równowagi. $Q$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!