Σταθερά ισορροπίας για την πρόβλεψη της έκτασης της αντίδρασης
Οι νόμοι της χημικής ισορροπίας και της σταθεράς μπορούν να εκφραστούν σε μαθηματικές παραστάσεις δίνοντας μια σύντομη περιγραφή της αντίδρασης σε ισορροπία. Μπορεί να εκφραστεί ως η τιμή του πηλίκου της αντίδρασης, η οποία δεν μπορεί να αλλάξει περαιτέρω με καμία αντίδραση.
Μια γενική αντίδραση αντιπροσωπεύει:
A + B C + D
Στην οποία διατηρείται η ισορροπία μεταξύ των αντιδρώντων (A &B) και των προϊόντων (C &D), αντίστοιχα.
Η σταθερά χημικής ισορροπίας Κ αντιπροσωπεύει τη σχέση μεταξύ των ενεργών αντιδραστηρίων και των προϊόντων. Αυτό το άρθρο εξηγεί τη σταθερά ισορροπίας για την πρόβλεψη της έκτασης της αντίδρασης.
Νόμος της μαζικής δράσης
Σύμφωνα με τη σταθερά ισορροπίας για την πρόβλεψη της έκτασης της αντίδρασης, ο νόμος της δράσης μάζας δηλώνει τα εξής:
Σε κατάσταση ισορροπίας, ο ρυθμός των δύο αντίθετων αντιδράσεων γίνεται ίσος, δηλ.
Ρυθμός αντίδρασης προώθησης =Ρυθμός αντίδρασης προς τα πίσω.
K =k1 (εμπρός) / k2 (πίσω)
Σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, τα K1 και K2 είναι σταθερές. Επομένως, η αναλογία K1 / K2 θα είναι σταθερή. Αυτό αντιπροσωπεύεται ως K και ονομάζεται σταθερά ισορροπίας.
Έτσι,
K =K1 / K2
K1 / K2 =(C) (D) / (A) (B)
Το μέγεθος της σταθεράς ισορροπίας K βοηθά στην πρόβλεψη του βαθμού στον οποίο προχωρά μια αντίδραση.
Η θερμοκρασία είναι ευθέως ανάλογη με τον ρυθμό αντίδρασης μεταξύ των αντιδρώντων και των προϊόντων που σχηματίζονται.
Η αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνει αναλογικά τον ρυθμό αντίδρασης.
A + B C + D —— (1)
K =k1 (εμπρός) / k2 (πίσω)
Στις παραπάνω αντιδράσεις, όπου k1 και k2 είναι ρυθμοί σταθερών για τις αντιδράσεις προς τα εμπρός και προς τα πίσω, αντίστοιχα, το K είναι η σταθερά ισορροπίας.
Εδώ, τα (A) (B) (C) &(D) αντιπροσωπεύουν τις ενεργές μάζες συγκέντρωσης των A, B, C &D, αντίστοιχα, σε κατάσταση ισορροπίας.
Σταθερά ισορροπίας για την πρόβλεψη της έκτασης της αντίδρασης
Όταν ασχολούμαστε με αναστρέψιμες αντιδράσεις, είναι σημαντικό να υπολογίσουμε την κατεύθυνση της αντίδρασης σε οποιοδήποτε δεδομένο σημείο. Μπορούμε να προβλέψουμε την έκταση της αντίδρασης βρίσκοντας το πηλίκο αντίδρασης και τη σταθερά ισορροπίας.
Μια υψηλή τιμή KC υποδηλώνει ότι η αντίδραση έχει φτάσει σε ισορροπία με υψηλή απόδοση προϊόντος, ενώ μια χαμηλή τιμή KC δείχνει ότι η αντίδραση έχει φτάσει σε ισορροπία με χαμηλή απόδοση προϊόντος.
Εάν KC> 103, η αντίδραση έχει σχεδόν ολοκληρωθεί.
Εάν KC <10-3, η αντίδραση σπάνια ξεκινά.
Σημαντική ποσότητα τόσο των αντιδρώντων όσο και των προϊόντων υπάρχει σε ισορροπία εάν η KC είναι στην περιοχή από 10-3 έως 103.
Η σημασία της πρόβλεψης χημικών αντιδράσεων για να μας βοηθήσει:
- Μπορεί να μας βοηθήσει να γνωρίζουμε τις ουσίες που χρησιμοποιήσαμε, τη βασικότητά τους, την οξύτητα και τον ρυθμό αντίδρασης.
- Μπορεί να μας ενημερώσει για τη στοιχειομετρική ανάγκη για ουσίες υπό συγκεκριμένες συνθήκες.
- Μπορεί να μας πει για την κατασταλτική ύλη στην ουσία και για τη χημική συμπεριφορά του περιεχομένου.
- Μπορεί να μας βοηθήσει να προβλέψουμε και να υπολογίσουμε το μελλοντικό αποτέλεσμα που θα οδηγήσει η αντίδραση.
Μερικά λυμένα παραδείγματα
1) Θεωρήστε την αντίδραση N2O4 (g) 2NO2
Σε ισορροπία, ρυθμός (προς τα εμπρός) =ρυθμός (προς τα πίσω)
K [N2O4] eq =k [NO2] eq
Στη συνέχεια, K (εμπρός) / K (πίσω)
=K [ NO2 ]² eq / [ N2O4 ]eq
Ο λόγος των σταθερών δίνει μια νέα σταθερά, τη σταθερά ισορροπίας:
K =k (εμπρός) / k (πίσω)
=k [NO2]² eq / [N2O4] eq
2) N2 (g) + Br2 (g) 2 HBr (g)
Keq =1,9 × 1019 στους 25° C
[ προτιμώμενο προϊόν ]
3) CO2 (g) + H2 (g) CO (g) + H2O (g)
KC =[ CO ] [ H2O ] / [ CO2 ] [ H2]
[ CO2 ] =0,1908 mol CO2 / 2,00 L =0,0954 M [ H2 ] =0,0454 M
[ CO ] =0,0046 M
[ H2O ] =0,0046 M
KC=[ 0,0046 ] [ 0,0046 ] / [ 0,954 ] [ 0,454 ]
=0,0049
4) Ας εξετάσουμε την αντίδραση
Cu (s) + Zn²+ (aq) Cu²+ (aq) + Zn (s)
K =[ Cu²+ (aq) ] / [ Zn²+ (aq) ]
=2,0 × 10–19 σε 298 K
Εδώ, η τιμή του Κ είναι πολύ μικρή.
Επομένως, σε αυτή την περίπτωση, μια αντίστροφη αντίδραση σε σύγκριση με την προς τα εμπρός αντίδραση προχωρά σε μεγαλύτερο βαθμό πριν επιτευχθεί ισορροπία. Ως αποτέλεσμα, σε κατάσταση ισορροπίας, οι συγκεντρώσεις των αντιδρώντων είναι πολύ υψηλότερες από εκείνες των προϊόντων που σχηματίζονται στην αντίδραση.
Σημείωση:
Εάν K> 1, τότε η ισορροπία ευνοεί τα προϊόντα.
Εάν K <1, τότε η ισορροπία ευνοεί τα αντιδρώντα.
Η σταθερά ισορροπίας δεν μπορεί να είναι μηδέν γιατί υποδηλώνει μηδέν όταν βρίσκεται σε ισορροπία.
Συμπέρασμα
Ο ρυθμός αντίδρασης εξαρτάται από το μέγεθος, την ταχύτητα, τη φυσική φύση και τη θερμοκρασία των αντιδρώντων που τοποθετούνται. Το μέγεθος της σταθεράς ισορροπίας Κ δείχνει τον ρυθμό αντίδρασης στον οποίο προχωρά η αντίδραση. Μια αύξηση στο Κ υποδηλώνει αύξηση της συγκέντρωσης ισορροπίας των προϊόντων.
Η έκταση της αντίδρασης είναι η ποσότητα που μας πληροφορεί πόσο έχει επεκταθεί η αντίδραση. Η σταθερά Κ μετρά τα αντιδρώντα που εγχύονται για να αντιδράσουν και να σχηματίσουν τα προϊόντα. Αυτό το άρθρο επισημαίνει τη σταθερά ισορροπίας για την πρόβλεψη της έκτασης της αντίδρασης και τη σταθερά ισορροπίας για την πρόβλεψη της έκτασης της σημασίας της αντίδρασης.
