Q és K összehasonlítása

Egy 1 literes reakciótartályban van 1,2 mól szén-monoxid 1,5 mól hidrogéngáz és 2,0 mól metanol (gáz állapotban). Hogyan változik a teljes nyomás, miközben a rendszer az egyensúly felé tart állandó hőmérsékleten? A szén-monoxid 1:2 arányban reagál a hidrogénnel, így metanol keletkezik. Ez a reakció megfordítható. Tudjuk, hogy a reakció egyensúlyi állandója egy adott hőmérsékleten 14,5. Tudjuk azt is, hogy a hőmérséklet állandó. A problémát két részre bontjuk. Az első részben azt határozzuk meg a reakcióhányados alapján, hogy a rendszer egyensúlyban van-e, vagy sem. Ebben a reakcióban a Q reakcióhányados annyi, mint a termék, vagyis a vagyis a CH₃OH koncentrációja osztva a hidrogéngáz koncentrációjával, amit négyzetre emelünk a sztöchiometriai együttható miatt, valamint szintén a nevezőben szerepel a szén-monoxid koncentrációja. Q értékét úgy számíthatjuk ki, hogy behelyettesítjük ezeket a koncentrációkat amelyek az adott időpillanatra jellemzőek. A koncentrációk kiszámíthatók ismerve a tartály térfogatát, ami 1 liter és az anyagmennyiségeket. Tudjuk, hogy a koncentráció az anyagmennyiség és a térfogat hányadosa. Mivel itt mindent 1-gyel osztunk, a kiindulási koncentrációk megegyeznek az anyagmennyiségekkel. Így felírhatjuk, hogy a szén-monoxid kiindulási koncentrációja 1,2 M. A hidrogéné 1,5 M. A metanolé pedig 2,0 M. Ezeket a koncentrációkat behelyettesíthetjük a Q egyenletébe. Így a számlálóba 2,0 kerül, a nevezőbe pedig 1,5 a négyzeten szorozva 1,2-del. Ha mindezt kiszámoljuk, a Q értékére ebben az időpillanatban, a fenti koncentrációk mellett 0,74-ot kapunk. Ebből először is megtudjuk, hogy a Q és a Kc nem egyenlők. Ez azt jelenti, hogy a rendszer nincs egyensúlyban. Nincs egyensúlyban. Ebből az következik, hogy a nyomásértékek biztosan változni fognak, hiszen a rendszer próbál egyensúlyba kerülni. A másik, amit tehetünk, az, hogy a reakcióhányados alapján kitaláljuk, hogyan fognak változni a koncentrációk. Most, hogy már ismerjük a Q reakcióhányadost, tudjuk, hogy Qc kisebb, mint K. Ezt a számegyenesen szemléltethetjük. Figyelembe véve Q összes lehetséges értékét, tudjuk, hogy ha Q = 0, akkor csak a kiindulási anyagok vannak jelen. Amikor pedig a Q végtelenül nagy, akkor csak a termékek vannak jelen. Az összes többi lehetséges érték ezek közé esik. Minket most csak az érdekel, hogyan viszonyul egymáshoz a Q és a K értéke, és hogyan változnak majd a koncentrációk. A Q tehát a számegyenesen valahová ide esik. A K értéke 14,5, tehát ez valahol itt lesz. Ez tehát a Q, ez pedig a K. A számegyenesen látható, hogy a Q kisebb, mint a K. Így az történik, hogy az egyensúly felé törekedve a koncentrációk úgy változnak, hogy a Q értéke jobbra tolódva, közeledjen a K-hoz. Így azt történik, hogy a reakció eltolódik, hogy több termék keletkezzen. Az egyensúlyi reakcióra visszatekintve, az egyensúly eltolódik a termékek irányába. A felső nyilat kissé megvastagítom. A kiindulási kérdésre visszatérve, kiszámíthatjuk, hogy a több termék képződése nyomán hogyan változik meg az össznyomás. Olyan rendszerben, amely gázmolekulákat tartalmaz, tudjuk, hogy a teljes nyomás a rendszerben lévő gázok anyagmennyiségétől függ. Mivel az eltolódás a termékek képződése felé történik, és a termékek oldalán 1 mól gáz keletkezik, miközben 3 mól reaktáns gázból indultunk ki, az az oldal kerül túlsúlyba, ahol kevesebb gázmolekula van. Így a termékek irányába történő eltolódás közben csökkenni fog a gázmolekulák száma a rendszerben, ezzel pedig csökken az össznyomás. A válasz tehát az, hogy az össznyomás csökken, ahogyan a reakció az egyensúly felé törekszik. Ennek az oka pedig az, hogy a Q reakcióhányados kisebb, mint K.