Fő tartalom
Kémia
Tantárgy/kurzus: Kémia > 6. témakör
1. lecke: Az egyensúlyi állandó- Egyensúlyi reakciók
- Az egyensúlyi állandó bevezetése
- A K egyensúlyi állandó
- Az egyensúlyi állandó értelmezése
- Heterogén egyensúly
- A Kp egyensúlyi állandó kiszámítása parciális nyomásokból
- Elhanyagolásos módszer kis egyensúlyi állandó esetén
- Elhanyagolásos módszer nagy egyensúlyi állandó esetén
- Az egyensúlyi állandó felírása
© 2023 Khan AcademyFelhasználási feltételekAdatkezelési tájékoztatóSüti figyelmeztetés
A K egyensúlyi állandó
Reverzibilis reakciók, egyensúly és a K egyensúlyi állandó. Hogyan számolhatjuk ki K-t, és hogyan használhatjuk annak eldöntésére, hogy egy reakció egyensúlyban a termékek vagy a kiindulási anyagok képződésének kedvez-e?
Főbb pontok
- A reverzibilis reakciók oda- és visszafelé is lejátszódhatnak.
- Egyensúlynak nevezzük, ha az odafelé irányuló reakció sebessége megegyezik a visszafelé irányuló reakció sebességével. Valamennyi kiindulási anyag és termék koncentrációja állandó egyensúlyban van.
- Adott a következő reakció: start text, a, A, end text, plus, start text, b, B, end text, \rightleftharpoons, start text, c, C, end text, plus, start text, d, D, end text, az egyensúlyi állandó K, start subscript, start text, c, end text, end subscript, más néven K vagy K, start subscript, start text, e, q, end text, end subscript, amelyet a következőképpen definiálunk:
- Azokra a reakciókra, amelyek nincsenek egyensúlyban, hasonló kifejezést írhatunk fel, az ún. reakcióhányadost, Q-t, amely egyensúlyban K, start subscript, start text, c, end text, end subscript-vel egyenlő.
- K, start subscript, start text, c, end text, end subscript és Q segítségével meghatározhatjuk, hogy egyensúlyban van-e egy reakció, kiszámolhatjuk az egyensúlyi koncentrációkat, és megállapíthatjuk, hogy egy reakcióban egyensúlyban a kiindulási anyagok vagy a termékek a kedvezményezettek.
Bevezetés: a reverzíbilis reakciók és az egyensúly
A reverzibilis reakciók mindkét irányba lejátszódhatnak. A legtöbb reakció zárt rendszerben elméletileg megfordítható, bár néhányat irreverzibilisnek tekinthetünk, ha a kiindulási anyagok vagy a termékek képződése erősen kedvezményezett. A kettős nyilat akkor használjuk, ha megfordítható reakció egyenletét írjuk fel. A \rightleftharpoons, szemléletesen mutatja, hogy ezek a reakciók mehetnek a felső nyíl irányába, előrefelé, amikor termék képződik, vagy az alsó nyíl irányába, visszafelé, amikor kiindulási anyag keletkezik. A megfordítható reakciókra példa a nitrogén-dioxid, start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript képződése dinitrogén-tetroxidból, start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 4, end subscript:
Képzeljük el, hogy színtelen start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 4, end subscript, left parenthesis, g, right parenthesisgázt teszünk szobahőmérsékleten egy üres üvegedénybe. Ha sokáig figyeljük, akkor látni fogjuk, hogy a lombikban levő gáz narancssárgás lesz, majd fokozatosan sötétedik, mígnem állandósul a színe. A
start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript és a start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 4, end subscript koncentrációját ábrázolhatjuk az idő függvényében, ahogy az alábbi ábrán látható.
Kiinduláskor a lombik csak start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 4, end subscript-ot tartalmaz, és a start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript koncentrációja 0 M. Ahogy a start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 4, end subscript átalakul start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript-dá, a start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript koncentrációja egy bizonyos pontig növekszik – az ábrán a szaggatott vonaltól balra látható –, majd állandó lesz. Hasonlóan, a start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 4, end subscript koncentrációja a kiindulási értékről csökken, amíg el nem éri az egyensúlyi koncentrációt. Amikor a start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript és a start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 4, end subscript koncentrációja állandósul, a reakció elérte az egyensúlyt.
Minden reakció a kémiai egyensúly felé tart, amikoris az előre- és visszairányuló reakció is ugyanazzal a sebességgel játszódik le. Mivel az oda- és visszaalakulás sebessége egyenlő, az egyensúlyban a kiindulási anyagok és a termékek koncentrációja állandó. Fontos megjegyezni, hogy bár az egyensúlyban a koncentrációk állandóak, a reakció továbbra is megy! Ezért nevezzük ezt az állapotot gyakran dinamikus egyensúlynak.
A különböző reaktánsok egyensúlyi koncentrációi segítségével definiálhatjuk az egyensúlyi állandónak nevezett mennyiséget,
K, start subscript, start text, c, end text, end subscript-t, amit néhány esetben K, start subscript, start text, e, q, end text, end subscript-val vagy K-val jelölünk. Az alsó indexbe írt start text, c, end text a koncentrációra utal, mivel az egyensúlyi állandó egy adott hőmérsékletre vonatkozó egyensúlyi koncentrációkat adja meg start fraction, start text, m, o, l, end text, divided by, start text, d, m, end text, cubed, end fraction egységben. Az egyensúlyi állandó segít annak megértésében, hogy egy reakció egyensúlyi helyzetében a termékek vagy a kiindulási anyagok koncentrációja-e a nagyobb. K, start subscript, start text, c, end text, end subscript segítségével azt is megállapíthatjuk, hogy egy reakció egyensúlyban van-e.
Hogy számoljuk ki K, start subscript, start text, c, end text, end subscript-t?
Vegyük az alábbi reverzibilis reakciót:
Ha a reakcióban résztvevő minden részecskének ismerjük az anyagmennyiség-koncentrációját, akkor az alábbi összefüggés segítségével meghatározhatjuk K, start subscript, start text, c, end text, end subscript értékét:
ahol open bracket, start text, C, close bracket, end text és start text, open bracket, D, close bracket, end text a termékek egyensúlyi koncentrációja; open bracket, start text, A, end text, close bracket és open bracket, start text, B, end text, close bracket a kiindulási anyagok koncentrációja; és start text, a, end text, start text, b, end text, start text, c, end text, és start text, d, end text a rendezett reakcióegyenlet sztöchiometriai együtthatói. A koncentrációt általában molaritásban adják meg, amelynek start fraction, start text, m, o, l, end text, divided by, start text, d, m, end text, cubed, end fraction a mértékegysége.
Fontos, hogy a K, start subscript, start text, c, end text, end subscript meghatározása során ne felejtsük el az alábbiakat:
- K, start subscript, start text, c, end text, end subscript egy adott reakcióra, adott hőmérsékletre vonatkozó állandó. Ha a hőmérséklet változik, akkor K, start subscript, start text, c, end text, end subscript is változni fog.
- A szilárd anyagokat és folyadékokat – beleértve az oldószereket is – nem tüntetjük fel az egyensúlyi állandóban.
- A K, start subscript, start text, c, end text, end subscript-t egyes tankönyvekben gyakran mértékegység nélkül adják meg.
- A K, start subscript, start text, c, end text, end subscript helyes értékének meghatározásához a reakcióegyenletet úgy rendezzük, hogy az együtthatók a lehető legkisebb egész számok legyenek.
Megjegyzés: Ha a kiindulási anyagok vagy termékek valamelyike gáz, akkor a gázok parciális nyomása segítségével is felírhatjuk az egyensúlyi állandót. Ezt az értéket jellemzően K, start subscript, start text, p, end text, end subscript-vel jelöljük, hogy megkülönböztessük az anyagmennyiség-koncentrációban megadott K, start subscript, start text, c, end text, end subscript egyensúlyi állandótól. Ebben a tananyagban azonban a K, start subscript, start text, c, end text, end subscript-re fogunk összpontosítani.
Mit tudhatunk meg K, start subscript, start text, c, end text, end subscript nagyságrendjéből a reakció egyensúlyára nézve?
K, start subscript, start text, c, end text, end subscript nagyságrendje információt nyújt a kiindulási anyagok és a termékek egyensúlyi koncentrációjáról:
- Ha K, start subscript, start text, c, end text, end subscript nagyon nagy, ~1000, vagy nagyobb, többnyire a termékek lesznek jelen az egyensúlyban.
- Ha K, start subscript, start text, c, end text, end subscript nagyon kicsi, ~0,001, vagy nagyobb, többnyire a kiindulási anyagok lesznek jelen az egyensúlyban.
- Ha K, start subscript, start text, c, end text, end subscript 0,001 és 1000 közötti érték, akkor a kiindulási anyagok és a termékek is számottevő mennyiségben lesznek jelen az egyensúlyban.
Ezeket az irányelveket figyelembe véve megbecsülhetjük, hogy a reakció a felső nyíl, a termékképződés irányába sokkal kedvezőbb — nagyon nagy K, start subscript, start text, c, end text, end subscript — vagy az alsó nyíl, a kiindulási anyagok képződésének irányába sokkal kedvezőbb — nagyon kicsi K, start subscript, start text, c, end text, end subscript — vagy valahol a kettő között.
Példa
1. rész: K, start subscript, start text, c, end text, end subscript egyensúlyi koncentrációkból történő meghatározása
Vegyük a kén-dioxid és az oxigén közötti, kén-trioxid képződésével járó egyensúlyi reakciót:
A reakció start text, T, end text hőmérsékleten egyensúlyban van, és a következő egyensúlyi koncentrációkat mérték:
A reakció K, start subscript, start text, c, end text, end subscript értéke start text, T, end text hőmérsékleten a következő összefüggéssel számolható ki:
Ha a megadott egyensúlyi koncentrációkat beírjuk a fenti egyenletbe, ezt kapjuk:
Jegyezzük meg, hogy mivel a számított K, start subscript, start text, c, end text, end subscript 0,001 és 1000 között van, azt várjuk, hogy a kiindulási anyagok és a termékek is számottevő mennyiségben lesznek jelen az egyensúlyban, nem csak kiindulási anyagok, vagy csak termékek lesznek.
2. rész: A reakcióhányados, Q alkalmazása annak eldöntésére, hogy a reakció egyensúlyban van-e
Most már ismerjük ezen a hőmérsékleten az egyensúlyi állandót: K, start subscript, start text, c, end text, end subscript, equals, 4, comma, 3. Képzeljük el, hogy ugyanez a reakció, ugyanez a hőmérséklet, start text, T, end text, de most egy másik reakcióedényben a következő koncentrációkat határozzák meg:
Tudni szeretnénk, hogy egyensúlyban van-e a reakció, de hogyan tudhatnánk ezt meg? Ha nem vagyunk biztosak abban, hogy a reakció egyensúlyban van-e, akkor kiszámolhatjuk a reakcióhányadost, Q-t:
Lehet, hogy csodálkozol azon, hogy ez az egyenlet miért hasonlít annyira a korábbihoz, és miben különbözik Q K, start subscript, start text, c, end text, end subscript-től. A legfontosabb különbség az, hogy Q-t a reakció bármely pontjában kiszámíthatjuk, akár egyensúlyban van a reakció, akár nem, de K, start subscript, start text, c, end text, end subscript-t csak egyensúlyban határozhatjuk meg. Ha Q-t K, start subscript, start text, c, end text, end subscript-hez hasonlítjuk, meg tudjuk mondani, hogy a reakció egyensúlyban van-e, mert egyensúly esetén Q, equals, K, start subscript, start text, c, end text, end subscript.
Ha a fenti koncentrációkat beírva kiszámoljuk Q-t, akkor ezt kapjuk:
Mivel Q értéke megegyezik K, start subscript, start text, c, end text, end subscript-vel, tudjuk, hogy az új reakció is egyensúlyban van. Hurrá!
2. példa: az egyensúlyi összetétel meghatározása K, start subscript, start text, c, end text, end subscript segítségével
Tekintsük a start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript és start text, N, O, end text egyensúlyi elegyét:
Az egyensúlyi állandó a következőképpen írható fel:
Tudjuk, hogy az egyensúlyi állandó egy adott hőmérsékleten 3, comma, 4, dot, 10, start superscript, minus, 21, end superscript, és ismerjük az alábbi egyensúlyi koncentrációkat is:
Mennyi a start text, N, O, end text, left parenthesis, g, right parenthesis egyensúlyi koncentrációja?
Mivel K, start subscript, start text, c, end text, end subscript kisebb, mint 0,001, előre tudhatjuk, hogy a start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript and start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript kiindulási anyagok sokkal nagyobb koncentrációban lesznek jelen az egyensúlyban, mint a start text, N, O, end text termék. Így azt várjuk, hogy az egyensúlyi start text, N, O, end text koncentráció nagyon kicsi lesz a kiindulási anyagok egyensúlyi koncentrációjához képest.
Ha tudjuk, hogy start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript és start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript egyensúlyi koncentrációja 0,1 M, átrendezzük a K, start subscript, start text, c, end text, end subscript egyenletét, hogy kiszámoljuk a start text, N, O, end text koncentrációját:
Ha behelyettesítjük az egyensúlyi koncentrációkat és K, start subscript, start text, c, end text, end subscript értékét, akkor ezt kapjuk:
Ahogy megjósoltuk, a start text, N, O, end text koncentrációja, 5, comma, 8, dot, 10, start superscript, minus, 12, end superscript, start text, M, end text, sokkal kisebb, mint a kiindulási anyagok koncentrációi (open bracket, start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript, close bracket és open bracket, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript, close bracket).
Összefoglalás
- A reverzibilis reakciók oda- és visszafelé is lejátszódhatnak.
- Egyensúlynak nevezzük, ha az odafelé irányuló reakció sebessége megegyezik a visszafelé irányuló reakció sebességével. Valamennyi kiindulási anyag és termék koncentrációja állandó egyensúlyban van.
- Az adott start text, a, A, end text, plus, start text, b, B, end text, \rightleftharpoons, start text, c, C, end text, plus, start text, d, D, end text egyenlet, K, start subscript, start text, c, end text, end subscript, más néven K, vagy K, start subscript, start text, e, q, end text, end subscript egyensúlyi állandóját az anyagmennyiség-koncentráció segítségével a következőképpen definiáljuk:
- Azokra a reakciókra, amelyek nincsenek egyensúlyban, hasonló kifejezést írhatunk fel, az ún. reakcióhányadost, Q-t, amely egyensúlyban K, start subscript, start text, c, end text, end subscript-vel egyenlő.
- K, start subscript, start text, c, end text, end subscript segítségével eldönthetjük, hogy egy reakció egyensúlyban van-e, kiszámíthatjuk az egyensúlyi koncentrációkat, valamint eldönthetjük, hogy a reakció egyensúlyban a termékek vagy a kiindulási anyagok képződésének kedvez-e.
Szeretnél részt venni a beszélgetésben?
Még nincs hozzászólás.