Każdy student chemii zna zasadę Le Chateliera, która mówi, że każda zmiana temperatury ciśnienie, objętość lub stężenie w danym układzie doprowadzą układ do ustanowienia nowej równowagi stan. Mając wiedzę na temat reakcji (na przykład, czy jest endotermiczna, czy egzotermiczna), możesz wykorzystać to do przewidzenia, co się stanie, gdy w systemie zostanie narzucona zmiana.
Istnieje jednak bardziej ilościowa metoda, której można użyć do określenia kierunku, w którym reakcja będzie faworyzować i czy jest obecnie w równowadze, i nazywa się to iloraz reakcji. Nauka obliczania ilorazu reakcji dla danej reakcji jest prostym, ale potężnym narzędziem w chemii.
Objaśnienie ilorazu reakcji
Iloraz reakcji jest sposobem ilościowego określenia względnych ilości reagentów i produktów dla reakcji odwracalnej w dowolnym momencie. Podano mu symbol Q, i można to obliczyć za pomocą prostego wzoru obejmującego stężenia (technicznie „aktywności”) produktów i reagentów, wraz z ich stałymi stechiometrycznymi.
Iloraz reakcji i stała równowagi (
K) są podobnymi (ale nie identycznymi) wielkościami, a porównanie ich w dowolnym momencie wskazuje, w jakim kierunku będzie przebiegać reakcja, aż do osiągnięcia równowagi.Różnica między Q i K
Równania dla Q i K są bardzo podobne, w zależności od stężeń substratów i produktów, ale istnieje zasadnicza różnica między tymi dwiema wielkościami: Równanie stałej równowagi jest tylko ważne, gdy system jest w równowaga (tj. gdy szybkość reakcji do przodu odpowiada szybkości reakcji odwrotnej).
Iloraz reakcji jest ważny przy cały czas, więc reakcja nie musi być w równowadze, aby można ją było obliczyć. Jednak gdy reakcja jest w równowadze, Q = K, a oba równania dają ten sam wynik.
Oblicz Q dla reakcji
Równanie dla Q, dla ogólnej reakcji między chemikaliami ZA, b, do i re postaci:
Jest dany przez:
Tak więc zasadniczo są to iloczyny pomnożone razem podzielone przez reagenty pomnożone razem, każdy podniesiony do potęgi równej ich stałym stechiometrycznym (tj. liczbom każdego składnika w reakcja). Należy jednak zauważyć, że nawiasy kwadratowe w tym miejscu odnoszą się do aktywności substancji chemicznych.
Dla ciała stałego lub czystej cieczy wyraz w równaniu dla Q działa do jednego, dzięki czemu można je skutecznie zignorować. W przypadku rozpuszczalnika stosuje się ułamek molowy, w przypadku gazu ciśnienie cząstkowe (lub molarność), a w przypadku substancji rozpuszczonej stosuje się molarność.
Proste przykładowe obliczenia dadzą Ci wyczucie, jak obliczyć Q na reakcję. Weź reakcję:
Z molarnościami: [CO] = 1 M, [H2O] = 1 M, [CO2] = 2M i [H2] = 2 M, a stała równowagi K = 1. Zauważ, że stałe stechiometryczne dla każdego składnika w tym przypadku są jednością, więc nie musisz się martwić o potęgi w obliczeniach. Używając wyrażenia dla Q daje:
Zauważ, że ta wartość dla value Q jest większa niż podana wartość dla K.
Tłumaczenie Q
Istnieją trzy główne przypadki, które należy rozważyć, aby zrozumieć, jaka jest wartość Q mówi ci: Q > K, Q = K i Q < K. Dla Q > K, oznacza to, że jest więcej produktów niż byłoby w stanie równowagi, a więc reakcja przesunie się na korzyść reagentów.
Dla Q = K, reakcja jest w równowadze i tak pozostanie, chyba że coś zakłóci system (np. jeśli zostanie dodane ciepło lub wzrośnie ciśnienie).
Dla Q < K, jest więcej reagentów niż produktów obecnych w równowadze, a więc reakcja będzie przebiegać w kierunku do przodu i sprzyjać tworzeniu produktów.