Konstanta kemijskega ravnovesja (K, Kc): definicija, formula, pomen

Konstanta kemijskega ravnovesja (K, Kc): jasna definicija, ključne formule in pomen pri izračunih koncentracij ter vpliv ionske moči. Učni vodič za kemike.

Za splošno kemijsko ravnovesje

α A + β B . . . . ⇌ σ S + τ T . . {\displaystyle \alfa A+\beta B...\rightleftharpoons \sigma S+\tau T... }

Definicija in formula

Konstanta ravnotežja za splošno reakcijo je izraz, ki opisuje razmerje med aktivnostmi produktov in reaktantov, pri čemer so vsakem členu dodani eksponenti, ki ustrezajo stehiometričnim koeficientom reakcije:

K = { S } σ { T } τ . . . . { A } α { B } β . . . {\displaystyle K={\frac {{\{S\}}^{\sigma }{\{T\}}^{\tau }...}{{\{A\}}^{\alfa }{{\B\}}^{\beta }...}}}

Tu je {A} aktivnost kemične vrste A itd. (aktivnost je brezrazsežna količina v enotah ustrezne standardne države). Z uporabo aktivnosti je konstanta popolnoma brezdimenzijska.

Aktivnosti, koncentracije in konstanta Kc

V praksi se pri ravnotežjih v raztopinah pogosto uporablja približek, kjer so aktivnosti zamenjane s koncentracijami, ker so razlike med aktivnostmi in koncentracijami zanemarljive pri visoki ionski moči ali pri redkih, zmernih koncentracijah. Tak izraz se imenuje konstanta ravnotežja glede na koncentracije, označena kot Kc:

K c = [ S ] σ [ T ] τ . . . . [ A ] α [ B ] β ... {\displaystyle K_{c}={\frac {{[S]}^{\sigma }{[T]}^{\tau }...}{{[A]}^{\alfa }{[B]}^{\beta }...}}}

Kvadratni oklepaji [A], [B] pomenijo molarne koncentracije (mol L⁻¹). Vendar je treba upoštevati, da je vrednost Kc odvisna od temperature in lahko tudi od ionske moči raztopine, ker koncentracije niso enake aktivnostim.

Posebnosti pri računskem zapisu

• Stehiometrija kot eksponenti: Vsaka koncentracija ali aktivnost je v izrazu potencirana z ustreznim stehiometričnim koeficientom (npr. če sta v reakciji 2 B, se v izrazu pojavi [B]²).
• Čiste tekočine in trdne snovi: Aktivnosti čiste vode, trdnih snovi ali tekočin v svoji čisti obliki se običajno enačijo z 1 in se zato ne pojavljajo v izrazu za K (npr. pri ravnotežjih heterogenih faz).
• Enote: Pri izpeljavi iz aktivnosti je K brezdimenzijska. Kc, izražen z neposrednimi koncentracijami, ima lahko enote, vendar je pravilno množiti koncentracije z ustreznimi standardnimi stanji, da dobimo brezdimenzijsko število.

Pomen konstante ravnotežja in praktični primeri

Konstanta ravnotežja pove, kako je v ravnovesju razporejena snov med produkti in reaktanti:

• Če je K ≫ 1, je naravnost produktov velika — ravnovesje je na strani produktov.
• Če je K ≪ 1, so v ravnovesju prevladujoči reaktanti.
• Če je K ≈ 1, sta obe strani primerljivo zastopani.

Primer (Haberjeva reakcija): N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g). Izraz za Kc je:

Kc = [NH3]² / ([N2] [H2]³)

Reakcijski količnik Q in smer sistema

Za dano trenutne koncentracije se izračuna reakcijski količnik Q z enakim izrazom kot K (aktivnosti ali koncentracije). Primerjava Q in K pove, v katero smer se bo reakcija premikala, da bi dosegla ravnovesje:

• Q < K: reakcija teče v smeri produktov (naprej).
• Q > K: reakcija teče v smeri reaktantov (nazaj).
• Q = K: sistem je v ravnovesju.

Odvisnost od temperature in povezava z energijo

Konstanta ravnotežja je močno odvisna od temperature. Povezavo med standardno spremembo prostega Gibbsovega energija ΔG° in konstanto K daje enačba:

ΔG° = −RT ln K

ali obratno:

K = exp(−ΔG° / RT)

Tu je R splošna plinska konstanta, T pa absolutna temperatura. Spremembe K s temperaturo opisuje van ’t Hoffova enačba:

d ln K / dT = ΔH° / (R T²)

Če je reakcija eksotermna (ΔH° < 0), bo povišanje temperature običajno zmanjšalo K (ravnovesje se premakne proti reaktantom). Nasprotno pri endotermnih reakcijah.

Ionska moč in koeficienti aktivnosti

V raztopinah, zlasti pri ionih, so dejanske sile med delci in ionska atmosfera pomembne. Aktivnosti se izračunajo kot produkt koncentracije in koeficienta aktivnosti (γ). Pri visokih ionnih jakostih se koeficienti aktivnosti lahko prilagajajo tako, da se njihov vpliv v količniku aktivnosti delno izniči — zato kemiki včasih poročajo o Kc iz meritev pri visoki ionski moči. Natančne izraze za koeficiente aktivnosti podaja Debye–Hückelova teorija in njene razširitve.

Praktične opombe za merjenje in uporabo

• Pri zapisu reakcij in izpeljavi K vedno upoštevajte faze (g, l, s, aq); čiste trdne in tekoče snovi se običajno izpustijo kot aktivnosti = 1.
• Če so v reakciji plini, se pogosto uporablja Kp (konstanta glede na parcialne tlake). Povezava med Kp in Kc je:
• Kp = Kc (R T)^{Δn}, kjer je Δn = (št. molov plinnih produktov) − (št. molov plinnih reaktantov).
• V eksperimentalnem poročilu vedno navajajte temperaturo pri kateri je bila konstanta določena.

Zaključek

Konstanta kemijskega ravnovesja je temeljni količnik v kemiji, ki pove, kako so v ravnovesju porazdeljeni reaktanti in produkti. Natančna definicija temelji na aktivnostih (brezdimenzijsko), v praksi pa se pogosto uporablja približek z koncentracijami (Kc) ali parcialnimi tlaki (Kp). K je odvisna od temperature in termodinamičnih količin (ΔG°, ΔH°), vpliv okolja pa vključuje tudi ionsko moč in koeficiente aktivnosti. Razumevanje in pravilna uporaba izračuna K omogoča napovedovanje smeri reakcije, obnašanja sistema ob spremembah pogojev in načrtovanje kemijskih procesov.

To je preprosta zamisel. V ravnotežju se lahko atomi združujejo ali razdružujejo, saj reakcija lahko poteka v obe smeri. Da reakcija deluje, morajo biti prisotni vsi deli, da se lahko združijo. Verjetnost, da se to zgodi, je večja, če je koncentracija reaktantov večja. Zato koncentracije vseh potrebnih delov pomnožimo skupaj, da dobimo verjetnost, da bodo pri reakciji na istem mestu. (Če reakcija zahteva dve molekuli določene spojine, se koncentracija te spojine pomnoži s kvadratom.) V nasprotni smeri se vse koncentracije teh potrebnih delov pomnožijo skupaj, da dobimo verjetnost, da bodo na istem mestu za reakcijo v nasprotni smeri. Razmerje med tema dvema številoma predstavlja, kako priljubljena bo vsaka stran reakcije, ko bo doseženo ravnovesje. Ravnotežna konstanta 1 pomeni, da sta obe strani enako priljubljeni. Kemiki izvajajo poskuse, s katerimi merijo konstanto ravnotežja različnih reakcij.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je ravnotežna konstanta?

V: Kako lahko uporabimo konstanto ravnotežja?

V: Kateri so primeri različnih vrst konstant ravnotežja?

V: Kaj meri ravnotežna konstanta?

V: Kako vemo, kdaj je reakcija že v ravnovesju?

V: Kaj pomeni, da je nekaj "v ravnovesju"?

Išči po črki