Ismerkedés a Qc reakcióhányadossal

Ma a reakcióhányadosról (Q) lesz szó. Ebben a videóban bemutatom hogyan számoljuk ki a Q-t, és mire használjuk. Vegyünk példának egy reakciót, amelyben a kén-dioxid-gáz (SO₂) oxigéngázzal reagál. Ez megfordítható reakció, amelyben kén-trioxid (SO₃) keletkezik. Meg kell győződnünk arról, hogy a reakció rendezve van-e. Két kén-dioxid egy oxigénnel reagál, így két kén-trioxid keletkezik. Egyensúlyi állapotban kiszámolhatjuk a Kc egyensúlyi állandót. Egyensúlyi állapotban tehát tudjuk, hogy a koncentrációk állandók, mivel a reakciósebességek az előre és a visszairányuló reakciók esetében azonosak. Ha ezeket a koncentrációkat behelyettesítjük ebbe a kifejezésbe, akkor megkapjuk a Kc-t. Tehát Kc egyenlő a termék koncentrációja a második hatványon, ami ebből a sztöchiometriai együtthatóból következik, osztva a reaktánsok koncentrációival, azaz SO₂ koncentráció a négyzeten, szorozva az O₂ koncentrációjával. Tudjuk, hogy egy bizonyos hőmérsékleten az egyensúlyi koncentrációkat behelyettesítve Kc = 4,3. De mi van akkor, ha a vizsgált reakció még nincs egyensúlyban, vagy egyszerűen nem tudjuk, hogy egyensúlyban van-e? Ebben az esetben, ha nem tudjuk, hogy beállt-e az egyensúly, illetve a reakció során bármelyik időpillanatban a reakcióhányadost (Q) számolhatjuk ki. A Qc tehát egyenlő a termék koncentrációja a négyzeten, azaz a termék koncentrációja azon a hatványon, amennyi a sztöchiometriai együtthatója, osztva a reaktánsok koncentrációival, amelyeket szintén hatványozunk a sztöchiometriai együtthatójuk szerint. Tehát SO₂ a négyzeten szorozva O₂-vel. Most eltűnődhetsz azon, hogy mi itt a különbség? A Qc és a Kc kifejezése mindig pont ugyanúgy néz ki, a fő különbség az, hogy melyiket mikor használjuk. A K egyensúlyi állandót csak az egyensúlyi koncentrációkat használva számoljuk. A c arra utal, hogy mindent az anyagmennyiség-koncentrációk alapján számolunk. A Q reakcióhányadost szintén a koncentrációk alapján számítjuk ki, de ehhez bármelyik pillanatra jellemző koncentráció használható, nem kell egyensúlyinak lennie. Számoljuk ki ezt különféle koncentrációk esetében. A reakció egy bizonyos pontján a koncentrációk a következők: 0,10 M a SO₂, 0,30 M O₂, és 3,5 M termék. Ha behelyettesítjük ezeket a Qc egyenletébe, a következőt kapjuk: a számlálóban 3,5 a négyzeten, és a nevezőben 0,1 a négyzeten szorozva 0,3-del. Számológéppel kiszámolva, a Qc értéke a fenti koncentrációk esetén 4083. Most már tudjuk, hogyan számoljuk ki a Qc-t. Most beszéljünk arról, hogy mit árul el ez nekünk. Három lehetőség van. Amikor a Q egyenlő K-val, az az egyensúlyi állapotot jelzi. Tehát ha bármikor kétség merülne fel, hogy a koncentrációk egyensúlyi koncentrációk-e, kiszámolhatjuk a Q-t, és megnézhetjük, hogy egyenlő-e K-val. Ebben az esetben nem egyenlő. A másik két lehetőség az, hogy a Q vagy nagyobb, mint K, ahogy ebben az esetben is, vagy pedig a Q kisebb, mint K. Vizsgáljuk meg mindkét lehetőséget. Q összes lehetséges értékét ábrázolhatjuk egy számegyenesen vagy egy Q egyenesen. A Q bármely értéket felvehet nullától végtelenig. Amikor nincs jelen termék, akkor a számláló értéke nulla, és a Q értéke is nulla. Eszerint a Q egyenlő nullával, amikor csak reaktánsok vannak jelen, és nincs jelen termék. Amikor viszont nem maradt reaktáns, csak termékek vannak jelen, akkor a nevező értéke nulla, így a Q értékére végtelent kapunk. Így tehát amikor Q egyenlő végtelennel, csak termékek vannak jelen. A többi érték ezek közé esik. Találomra felírok ide néhány közbülső értéket, de a pontos értékük nem annyira lényeges. Legtöbbször a Q és K egymáshoz viszonyított értékét szeretnénk összehasonlítani. Most tehát Q = 4083, amit bejelölök ide. Ez a Qc, a K pedig – sárgával jelölve – 4,3. Ezt tehát ide írom. Láthatjuk, hogy Q nagyobb, mint K, és közelebb esik ahhoz az állapothoz, amelyben csak a termékek vannak jelen. A fenti koncentrációk esetén sokkal több termék van jelen, mint amennyi egyensúlyban lenne. A reakció tehát arra törekszik, hogy a koncentrációk az egyensúlyi értékeket vegyék fel. A számegyenesen ez azt jelenti, hogy a koncentrációk úgy változnak, hogy a Q közelebb kerüljön a K-hoz. Mivel most jobb felé van eltolódva, és a reaktánsok irányába fog elmozdulni, a reakció a reaktánsok képződésének irányába tolódik el, hogy elérje az egyensúlyt. Amikor tehát Q nagyobb, mint K, ahogyan itt is, akkor a reakció a reaktánsok képződése felé fog eltolódni. Az utolsó lehetőség az, amikor Q kisebb, mint K, a reakció pedig a termékképződés irányába fog eltolódni. Ezt is ábrázolhatjuk a számegyenesen. Ha más koncentrációkkal számolunk, ahol Q kisebb, mint K, amit másik színnel fogok jelölni, ha Q értéke mondjuk ide esne, akkor jobbra mozdulna el, hogy több termék keletkezzen, ami azt jelentené, hogy a reakció úgy próbál egyensúlyba jutni, hogy az odaalakulás irányába tolódik el. Tehát így számoljuk ki, és használjuk a Q-t, arra, hogy lássuk, hogyan változnak a koncentrációk, az egyensúly eléréséhez. A következő videóban megnézünk egy mintafeladatot, amiben a Q alapján megpróbálunk rájönni, hogyan változnak a reaktánsok koncentrációi egy másik reakcióban.