Hver kemistuderende kender Le Chateliers princip, som siger, at enhver temperaturændring, tryk, volumen eller koncentration i et givet system vil føre til, at systemet etablerer en ny ligevægt stat. Med kendskab til reaktionen (for eksempel om den er endoterm eller exoterm), kan du bruge dette til at forudsige, hvad der vil ske, når der er en ændring pålagt systemet.
Men der er en mere kvantitativ metode, du kan bruge til at bestemme hvilken retning en reaktion vil favorisere, og om den i øjeblikket er i ligevægt, og dette kaldes reaktionskvotient. At lære at beregne reaktionskvotienten for en given reaktion er et simpelt, men kraftfuldt værktøj inden for kemi.
Reaktionskvotienten forklaret
Reaktionskvotienten er en måde at kvantificere de relative mængder af reaktanter og produkter til en reversibel reaktion på ethvert tidspunkt. Det får symbolet Q, og du kan beregne det ved hjælp af en simpel formel, der involverer koncentrationerne (teknisk "aktiviteterne") af produkterne og reaktanterne sammen med deres støkiometriske konstanter.
Reaktionskvotienten og ligevægtskonstanten (K) er ens (men ikke identiske) størrelser, og sammenligning af de to på et givet tidspunkt fortæller dig, i hvilken retning reaktionen vil fortsætte, indtil den når ligevægt.
Forskellen mellem Q og K
Ligningerne for Q og K er meget ens, afhængigt af koncentrationerne af reaktanter og produkter, men der er en afgørende forskel mellem de to størrelser: Ligevægtskonstantligningen er kun gyldig, når systemet er på ligevægt (dvs. når hastigheden af den fremadrettede reaktion svarer til hastigheden af den omvendte reaktion).
Reaktionskvotienten er gyldig kl alle tider, så reaktionen ikke behøver at være i ligevægt for at du kan beregne den. Når reaktionen imidlertid er i ligevægt, Q = K, og de to ligninger giver det samme resultat.
Beregn Q for en reaktion
Ligningen for Qtil en generel reaktion mellem kemikalier EN, B, C og D af formularen:
Gives af:
Så i det væsentlige er det produkterne ganget sammen divideret med reaktanterne ganget sammen hver hævet til en styrke svarende til deres støkiometriske konstanter (dvs. antallet af hver komponent i reaktion). Det er dog vigtigt at bemærke, at firkantede parenteser i dette henviser til kemikaliernes aktiviteter.
For et fast eller en ren væske betegnes udtrykket i ligningen for Q fungerer ud til en, og så kan de effektivt ignoreres. Til et opløsningsmiddel bruger du molfraktionen, til en gas bruger du partialtrykket (eller molariteten), og til en opløsningsmiddel bruger du molariteten.
Et simpelt beregningseksempel giver dig en fornemmelse for, hvordan du beregner Q til en reaktion. Tag reaktionen:
Med molariteterne: [CO] = 1 M, [H2O] = 1 M, [CO2] = 2M og [H2] = 2 M, og ligevægtskonstanten K = 1. Bemærk, at de støkiometriske konstanter for hver af komponenterne i dette tilfælde er en, så du behøver ikke bekymre dig om kræfter i beregningen. Brug af udtrykket til Q giver:
Bemærk, at denne værdi for Q er større end den givne værdi for K.
Fortolkning af Q
Der er tre hovedsager, der skal overvejes for at forstå, hvad værdien af Q fortæller dig: Q > K, Q = K og Q < K. Til Q > Kbetyder dette, at der er flere produkter til stede, end der ville være i ligevægt, og reaktionen vil derfor skifte til fordel for reaktanterne.
Til Q = K, er reaktionen i ligevægt og vil forblive sådan, medmindre noget forstyrrer systemet (f.eks. hvis der tilsættes varme eller trykket øges).
Til Q < K, der er flere reaktanter end produkter til stede end ved ligevægt, og reaktionen vil derfor gå fremad og favorisere dannelsen af produkter.