Palautuvat kemialliset reaktiot pyrkivät tasapainoon, tilaan, jossa kaikki kemialliset konversiot tapahtuvat samalla nopeudella. Tälle tilanteelle on ominaista vakio, jota kutsutaan nimellätasapainovakio, joka liittyy reagoivien aineiden ja reaktiotuotteiden pitoisuuksiin.
Tämä arvo on erittäin hyödyllinen arvioitaessa minkä tahansa palautuvan reaktion odotettuja tuloksia ja määritettäessä minkä tahansa reagoivan aineen tai tuotteen konsentraatio, kun se on saavuttanut tasapainon.
Koska monien reaktioiden tasapainovakiot ovat saatavilla kirjallisuudessa, niitä voidaan helposti soveltaa kemiallisten reaktorien tai minkä tahansa laitteen suunnitteluun, joka perustuu minkä tahansa odotetun kemiallisen yhdisteen muodostumiseen.
Katsotaanpa, mistä kemiallisessa tasapainossa on kyse ja kuinka helposti lasketaan minkä tahansa palautuvan reaktion tasapainovakio.
Kuinka laskea tasapainovakio
- Selvitä, onko kemiallinen reaktio saavuttanut tasapainon, eli ovatko sekä tuotteiden että lähtöaineiden pitoisuudet vakioita.
- Mittaa sellaisten tuotteiden ja lähtöaineiden molaarisuudet, jotka eivät ole kiinteässä tai puhtaassa nestemäisessä tilassa.
- Tutki reaktion kemiallista yhtälöä ja löydä vaiheessa 2 mitattujen aineiden stoikiometriset kertoimet.
- Yhdistä pitoisuuksien ja stoikiometristen kertoimien arvot seuraavaan yhtälöön:
| Kc=[P1]p1 × [P2]p2 × …[R1]r1 × [R2]r2 × … | (1) |
Missä[P1],[P2], … jap1,p2, … ovat tuotteiden molaarisuudet ja stoikiometriset kertoimet; ja[R1],[R2], … jar1,r2, … ovat reagoivien aineiden molaarisuudet ja stökiömetriset kertoimet, vastaavasti.
Mikä on tasapainovakio
Kuvittele, että olet muovipalloilla täytettyyn pallokuoppaan ja ystäväsi istuu tyhjässä pallokuoppaan muutaman metrin päässä. Alat heitellä palloja ystäväsi kuoppaan ja niitä alkaa kertyä ajan kuluessa. Kuvittele nyt, että ystäväsi on saanut tarpeekseen ja alkaa heitellä palloja takaisin. Sota on alkanut!
Oletetaan, että sinulla on aluksi 100 palloa kuopissasi ja alat heittää ystävääsi 1 pallon sekunnissa. Ajan myötä pallojen määrä puolellasi vähenee ja ystäväsi puolella kasvaa. Ystävälläsi on aluksi vaikeuksia löytää takaisinheitettävää palloa, koska niitä ei ole montaa hänen kuopassaan. Oletetaan siis, että puolen minuutin kuluttua ystäväsi pystyy heittämään takaisin vain yhden pallon kahden sekunnin välein (0,5 palloa/s). Tässä skenaariossa pallojen kokonaismäärä puolellasi pienenee ja kaverisi puolella olevien pallojen määrä kasvaa, mutta hitaammin.
Kun pallojen määrä ystäväsi kuopissa kasvaa, hänen on helpompi tarttua niihin ja heittää ne takaisin sinulle. Joten hänen nopeusnsa alkaa kasvaa. Oletetaan, että minuutin kuluttua hänellä on tarpeeksi palloja kyljellään, jotta hän pystyy heittämään yhden niistä sekunnissa. Tässä vaiheessa pallot lentävät edestakaisin samalla nopeudella, joten lopullinen pallojen lukumäärä kussakin kuopissa ei muutu. Tässä tilanteessa olemme päässeettasapaino. Seuraava sarja tiivistää ajatuskokeilumme.
Kemiassa tasapaino saavutetaanpalautuvia reaktioita, tarkoittaa niitä, jotka voivat tapahtua molempiin suuntiin: lähtöaineet muodostavat tuotteita ja tuotteet muodostavat lähtöaineita samanaikaisesti. Tasapaino on tila, jossa, kuten pallonheittoesimerkissämme, molempien reaktioiden (eteenpäin ja taaksepäin) nopeudet ovat yhtä suuret. Muista nyt, että tämä ei välttämättä tarkoita sitä, että löydämme saman määrän tuotteita ja reagoivia aineita kemiallisessa reaktiossa, joka on saavuttanut tasapainon, tai pallonheittopelissämme saman määrän palloja kustakin kuopasta. Tämä tarkoittaa vain sitä, ettänopeusjossa toinen muunnetaan toiseksi, on sama.
Tuotteiden ja lähtöaineiden todellinen lopullinen määrä tasapainon saavuttua riippuu alkumääristä. Ajattele pallokenttiä. Pallonheittonopeus riippuu kunkin henkilön kyvystä (kuinka nopea he ovat) ja hänen kuopessaan olevien pallojen määrästä. Mietitään tätä yksityiskohtaisesti. Ensinnäkin mitä suurempi määrä palloja kuopissasi on – mikä vastaa reagoimaan käytettävissä olevan kemiallisen aineen määrää –, sitä helpompi on löytää pallo ja heittää se vastustajaasi kohti.
Joten jos peli olisi alkanut niin, että sinulla ja ystävälläsi olisi ollut sama määrä palloja kussakin kuoppassa, tasapaino olisi luultavasti saavutettu paljon nopeammin kuin ennen, ilman että ystäväsi olisi ensin kerännyt tarpeeksi palloja kuoppaansa helpottamaan sitä. jotta hän löytää ne ja heittää ne takaisin samaan tahtiin kuin sinä. Tässä skenaariossa kummallakin puolella olevien pallojen kokonaismäärä tasapainossa olisi ollut erilainen kuin alkuperäisessä esimerkissämme.
Toisaalta jokaisen henkilön kyky heittää pallo vastustajalleen (miten nopeasti he pystyvät siihen) vastaa reaktiokinetiikkaa, joka on lähtöaineiden ja tuotteiden luontainen laatu.
Jos tasapainossa olevien tuotteiden ja lähtöaineiden määrä riippuu niiden alkumääristä ja kemiallisen reaktion kinetiikasta, onko mitään vakiota? Itse asiassa on! Voimme saada vastauksen, jos tarkastelemme tapahtuvien reaktioiden nopeuksia.
Tarkastellaan yleistä reversiibeliä reaktiota aA + bB ↔cC+dD, jossa A ja B ovat lähtöaineita; a, b, niiden vastaavat stoikiometriset kertoimet; C ja D ovat tuotteet; ja c, d, niiden vastaavat kertoimet. Ensinnäkin, jotta reaktio tapahtuisi, aineAtäytyy törmätä aineen kanssaBtarpeeksi energiaa aloittaakseen sen. Se, kuinka usein näitä törmäyksiä tapahtuu, määrittääreaktionopeus, joka määritellään aineen määränä, joka reagoi aikayksikköä kohti. Koska reagoivat aineemme ovat hyvin usein osa liuosta, reaktionopeus ilmaistaan yleensä molaarisuuden yksiköinä (mol/L) aikayksikköä kohti, eli mol/L/s.
Jos ajattelet sitä, jos kävelet ruuhkaisella kadulla keskellä päivää, on todennäköisempää, että törmäät johonkin kuin jos teet niin keskellä yötä, kun lähellä ei ole juurikaan ihmisiä. Sama tapahtuu reaktiossa: reagoivien aineiden törmäys ja siten kuinka moni niistä reagoi yhdessä, riippuu niidenkeskittyminenreaktion vastaanottajan sisällä. Tämän seurauksena voimme sanoa, että reaktionopeus on suoraan verrannollinen reagoivien aineiden pitoisuuksiin. Jos reaktio tapahtuu nestefaasissa, pitoisuus mitataan molaarisesti ja jos se tapahtuu kaasufaasissa, mitataan aineiden osapaineella.
Reversiibelin reaktion tapauksessa on olemassa kaksi reaktionopeutta: yksi eteenpäin suuntautuvalle reaktiolle ja yksi käänteiselle reaktiolle. Ensimmäinen voidaan kirjoittaa näin:
| Vf=kf[A]a[B]b | (2) |
Missä [A] ja [B] osoittavat molaarisuudenAjaB, vastaavasti; jaajabthereaktiojärjestyksetA:lle ja B:lle. Nämä ovat yleensä yhtä suuria kuin niiden stoikiometriset kertoimet. Yhtälön suhteellisuusvakiota kf kutsutaan nimelläreaktionopeus vakio. Koska stoikiometriset kertoimet voivat vaihdella paljon reaktiosta toiseen, tällä vakiolla on eri yksiköt niistä riippuen. Näin reaktionopeus säilyttää tavanomaiset yksikkönsä. Toisaalta käänteisen reaktion nopeus on:
| Vr = kr[C]c[D]d | (3) |
Missä [C] ja [D] ovat molaarisuudetCjaD;cjadniiden vastaavat stoikiometriset kertoimet; ja kr käänteisen reaktion nopeusvakio. Olemme todenneet, että tasapainotilassa sekä myötä- että käänteisreaktioiden reaktionopeudet ovat yhtä suuret, mikä tarkoittaa, että aikayksikköä kohti muodostuu sama määrä tuotteita ja lähtöaineita. Seurauksena:
| kf[A]a[B]b = kr[C]c[D]d | (4) |
Jos erotamme toiselta puolelta reaktionopeusvakiot, saamme:
| kfkr=[C]c[D]d[A]a[B]b | (5) |
Koska vakio jaettuna toisella vakiolla muodostaa kolmannen vakion, voidaan päätellä, että yhtälön 5 oikealla puolella olevan termin tulee pysyä vakiona, mikäli reaktio on saavuttanut tasapainon. Kutsumme tätätasapainovakio, jota yleensä merkitään Kc. Tässä "c" tarkoittaakeskittyminen, koska yhtälö 5 toteutetaan yleensä käyttämällä lähtöaineiden ja tuotteiden molaarisuutta.
Jos sinulla on vaikeuksia ymmärtää, miten pitoisuudet ja reaktionopeudet käyttäytyvät reaktion aikana, lue kohta "Piistymien ja reaktionopeuden aikakäyttäytyminen".
Tasapainovakion kaava
Yleiselle reversiibelille reaktiolle P1, P2,… tuotteiden ja R1, R2,… reaktanttien kanssa, joiden stökiömetriset kertoimet ovat p1, p2,… ja r1, r2, …, vastaavasti, tasapainovakio saadaan seuraavasti:
| Kc=[P1]p1 × [P2]p2 × …[R1]r1 × [R2]r2 × … | (6) |
Jos reaktio tapahtuu kaasufaasissa, molaarisuuden sijaan käytetään osapaineita kullekin lähtöaineelle ja tuotteelle. Koska kaasun paine riippuu sen lämpötilasta, yhtälöön 6 lisätään lisätermi:
| Kc=pP1p1 × pP2p2 ×… pR1r1 × pR2r2 ×…(RT)Δn | (7) |
missä pX1x1 on tuotteen/reagenssin numero 1 osapaine sen stoikiometrisen kertoimen potenssiin nähden;Ron kaasun vakio,Tabsoluuttinen lämpötila (mitattuna kelvineinä) ja Δn tuotekaasun ja reagoivan kaasun moolien ero, kun tasapaino on saavutettu. Osapaineiden osamäärää merkitään yleensä Kp:llä, jossa "p" tarkoittaapaine.
Tasapainovakion arvon avulla voit arvioida tapahtuvaa reaktiota näiden yleisesti hyväksyttyjen alueiden mukaisesti:
- Kc>1000: enimmäkseen tuotteet muodostuvat tasapainossa
- 0,001
- Kc<0,001: enimmäkseen reagoivat aineet muodostuvat tasapainossa
Kuinka laskea tasapainovakio
Ottaen huomioon, että tasapainovakion tiukka määritelmä itse asiassa käyttäätoimintaasijastapitoisuudetreaktioon osallistuvista aineista yhtälö 6 on vain hyvä likiarvo niille reaktioille, joissa tuotteet ja lähtöaineet laimennetaan. Tämä johtuu siitä, että näiden aineiden aktiivisuus lähestyy molaarisuuttaan, kun ne liukenevat. Sen vuoksi mitään kiinteässä olomuodossa olevia aineita tai puhtaita nesteitä, kuten liuottimia, ei pitäisi ottaa huomioon tasapainovakion laskemisessa yhtälön 6 avulla.
Tarkastellaanpa seuraavaa reaktiota esimerkkinä:
| NH3(g)+HCl(g)NH4Cl(s) | (8) |
Ensinnäkin molemmat reagoivat aineet (ammoniakki ja kloorivetyhappo) ovat kaasumaisessa tilassa. Tuote sitä vastoin löytyy kiinteässä olomuodossa. Koska vain kaasumaisessa ja nestemäisessä (ei puhtaassa) tilassa olevat aineet tulisi ottaa huomioon, tämän reaktion tasapainovakio laskettaisiin seuraavasti:
| Kc = 1 [NH3]1 × [HCl]1 | (9) |
Tarkastellaan toista esimerkkiä: fluorivedyn dissosiaatio vedessä:
| HF(aq)+H2O(l)H3O(aq)++F(aq)- | (10) |
ReagenssiHFliukenee puhtaaseen veteen ja muodostaa kaksi ionista lajia. Tässä tapauksessa tasapainovakion laskennassa ei tulisi ottaa huomioon puhtaan nesteen: veden pitoisuutta. Siksi se näyttäisi tältä:
| Kc=[H3O+][F-][HF] | (11) |
Pitoisuuksien ja reaktionopeuden aikakäyttäytyminen
Tarkastellaan yksinkertaista reversiibeliä reaktiota muotoa aA ↔cC. Oletetaan, että tämä reaktio alkaa alkupitoisuudestaAja eiC. Kun reaktio etenee, sitä enemmänCmuodostuu, mikä lisää sen pitoisuutta, kun taas määräAvähenee. Samalla, koska molekyylejä on yhä vähemmänAreagoidakseen ajan myötä eteenpäin suuntautuva reaktionopeus laskee. Toisaalta, koska yhä useammat molekyylitCmuodostuu, on todennäköisempää, että ne reagoivat muotoonAja siten käänteinen reaktionopeus kasvaa.
Tämä koko tilanne on tiivistetty seuraaviin kaavioihin. Mene eteenpäin ja analysoi ne perusteellisesti:
