Ogni studente di chimica conosce il principio di Le Chatelier, il quale afferma che ogni cambiamento di temperatura, pressione, volume o concentrazione in un dato sistema porteranno il sistema a stabilire un nuovo equilibrio stato. Conoscendo la reazione (ad esempio, se è endotermica o esotermica), è possibile utilizzarla per prevedere cosa accadrà quando verrà imposto un cambiamento al sistema.
Ma c'è un metodo più quantitativo che puoi usare per determinare quale direzione favorirà una reazione e se è attualmente in equilibrio o meno, e questo è chiamato il quoziente di reazione. Imparare a calcolare il quoziente di reazione per una data reazione è uno strumento semplice ma potente in chimica.
Il quoziente di reazione spiegato
Il quoziente di reazione è un modo per quantificare le quantità relative di reagenti e prodotti per una reazione reversibile in qualsiasi momento. È dato il simbolo Q, e puoi calcolarlo utilizzando una semplice formula che coinvolge le concentrazioni (tecnicamente le "attività") dei prodotti e dei reagenti, insieme alle loro costanti stechiometriche.
Il quoziente di reazione e la costante di equilibrio (K) sono quantità simili (ma non identiche) e confrontare le due in un dato momento ti dice in quale direzione procederà la reazione fino a raggiungere l'equilibrio.
La differenza tra Q e K
Le equazioni per Q e K sono molto simili, a seconda delle concentrazioni di reagenti e prodotti, ma c'è una differenza cruciale tra le due quantità: L'equazione della costante di equilibrio è solo valido quando il sistema è a equilibrio (cioè quando la velocità della reazione diretta corrisponde alla velocità della reazione inversa).
Il quoziente di reazione è valido per sempre, quindi la reazione non deve essere all'equilibrio per poterla calcolare. Tuttavia, quando la reazione è all'equilibrio, Q = K, e le due equazioni danno lo stesso risultato.
Calcola Q per una reazione
L'equazione per Q, per una reazione generale tra sostanze chimiche UN, B, C e D del modulo:
È dato da:
Quindi essenzialmente sono i prodotti moltiplicati insieme divisi per i reagenti moltiplicati insieme, ciascuno elevato ad una potenza pari alle loro costanti stechiometriche (cioè i numeri di ogni componente nel reazione). Tuttavia, è importante notare che le parentesi quadre in questo si riferiscono alle attività delle sostanze chimiche.
Per un solido o un liquido puro, il termine nell'equazione per Q funziona a uno, e quindi possono essere efficacemente ignorati. Per un solvente si usa la frazione molare, per un gas si usa la pressione parziale (o molarità) e per un soluto si usa la molarità.
Un semplice esempio di calcolo ti darà un'idea di come calcolare Q per una reazione. Prendi la reazione:
Con le molarità: [CO] = 1 M, [H2O] = 1 M, [CO2] = 2M e [H2] = 2 M, e la costante di equilibrio K = 1. Nota che le costanti stechiometriche per ciascuno dei componenti in questo caso sono una, quindi non devi preoccuparti delle potenze nel calcolo. Usando l'espressione per Q dà:
Nota che questo valore per Q è maggiore del valore dato per K.
Interpretare Q
Ci sono tre casi principali da considerare per capire quale sia il valore di Q ti dice: Q > K, Q = K e Q < K. Per Q > K, questo significa che ci sono più prodotti presenti di quanti ce ne sarebbero all'equilibrio, e quindi la reazione si sposterà a favore dei reagenti.
Per Q = K, la reazione è all'equilibrio e rimarrà tale a meno che qualcosa non disturbi il sistema (ad esempio se si aggiunge calore o si aumenta la pressione).
Per Q < K, ci sono più reagenti che prodotti presenti rispetto all'equilibrio, e quindi la reazione procederà in avanti e favorirà la formazione di prodotti.