วิธีการคำนวณ Q ของปฏิกิริยา

นักศึกษาวิชาเคมีทุกคนรู้หลักการของเลอ ชาเตอลิเยร์ ซึ่งระบุว่าการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ความดัน ปริมาตร หรือความเข้มข้นในระบบที่กำหนดจะทำให้ระบบสร้างสมดุลใหม่ new สถานะ. ด้วยความรู้เกี่ยวกับปฏิกิริยา (เช่น ไม่ว่าจะเป็นดูดความร้อนหรือคายความร้อน) คุณสามารถใช้ข้อมูลนี้คาดการณ์ว่าจะเกิดอะไรขึ้นเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงในระบบ

แต่มีวิธีการเชิงปริมาณมากกว่าที่คุณสามารถใช้เพื่อกำหนดทิศทางที่ปฏิกิริยาจะชอบ และไม่ว่าจะอยู่ในสภาวะสมดุลหรือไม่ และสิ่งนี้เรียกว่า ความฉลาดทางปฏิกิริยา. การเรียนรู้การคำนวณความฉลาดทางปฏิกิริยาสำหรับปฏิกิริยาที่กำหนดเป็นเครื่องมือง่ายๆ แต่ทรงพลังในวิชาเคมี

ความฉลาดทางปฏิกิริยาเป็นวิธีการหาปริมาณปริมาณสัมพัทธ์ของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์สำหรับปฏิกิริยาที่ผันกลับได้ ณ จุดใดเวลาหนึ่ง จะได้รับสัญลักษณ์ Qและคุณสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรง่ายๆ ที่เกี่ยวข้องกับความเข้มข้น (ในทางเทคนิคคือ “กิจกรรม”) ของผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้น ร่วมกับค่าคงที่ปริมาณสัมพันธ์ของพวกมัน

ผลหารของปฏิกิริยาและค่าคงที่สมดุล (K) มีปริมาณใกล้เคียงกัน (แต่ไม่เหมือนกัน) และการเปรียบเทียบทั้งสอง ณ จุดใดเวลาหนึ่งจะบอกคุณว่าปฏิกิริยาจะดำเนินไปในทิศทางใดจนกว่าจะถึงจุดสมดุล

สมการสำหรับ Q และ K มีความคล้ายคลึงกันมาก ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ แต่มีความแตกต่างที่สำคัญระหว่างปริมาณทั้งสอง: สมการคงที่สมดุลคือ เท่านั้น ใช้ได้เมื่อระบบอยู่ที่ สมดุล (เช่น เมื่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าตรงกับอัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ)

ความฉลาดทางปฏิกิริยาใช้ได้ที่ ทุกเวลาดังนั้น ปฏิกิริยาจึงไม่จำเป็นต้องอยู่ที่สมดุล คุณจึงจะคำนวณได้ อย่างไรก็ตาม เมื่อปฏิกิริยาอยู่ในสภาวะสมดุล Q = เค, และสมการทั้งสองให้ผลลัพธ์เหมือนกัน

สมการของ Q, สำหรับปฏิกิริยาทั่วไประหว่างสารเคมี อา, บี, ค และ ดี ของแบบฟอร์ม:

มอบให้โดย:

โดยพื้นฐานแล้วมันคือผลิตภัณฑ์ที่คูณเข้าด้วยกันหารด้วยสารตั้งต้นคูณเข้าด้วยกันแต่ละ ยกกำลังเท่ากับค่าคงที่ปริมาณสัมพันธ์ของพวกมัน (เช่น ตัวเลขของแต่ละองค์ประกอบใน ปฏิกิริยา). อย่างไรก็ตาม สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าวงเล็บเหลี่ยมในข้อนี้หมายถึงกิจกรรมของสารเคมี

สำหรับของแข็งหรือของเหลวบริสุทธิ์ พจน์ในสมการของ Q ได้ผลเป็นหนึ่งและเพื่อให้สามารถละเลยได้อย่างมีประสิทธิภาพ สำหรับตัวทำละลาย คุณใช้เศษส่วนของโมล สำหรับแก๊สที่คุณใช้แรงดันบางส่วน (หรือโมลาริตี) และสำหรับตัวถูกละลาย คุณใช้โมลาริตี

ตัวอย่างการคำนวณอย่างง่ายจะทำให้คุณเข้าใจวิธีการคำนวณ Q สำหรับปฏิกิริยา ทำปฏิกิริยา:

ด้วยโมลาริตีส์: [CO] = 1 M, [H₂O] = 1 M, [CO₂] = 2M และ [H₂] = 2 M และค่าคงที่สมดุล K = 1. โปรดทราบว่าค่าคงที่ปริมาณสารสัมพันธ์สำหรับแต่ละองค์ประกอบในกรณีนี้คือค่าเดียว ดังนั้นคุณจึงไม่ต้องกังวลเกี่ยวกับกำลังในการคำนวณ การใช้นิพจน์สำหรับ Q ให้:

โปรดทราบว่าค่านี้สำหรับ Q มากกว่าค่าที่กำหนดสำหรับ K.

มีสามกรณีหลักที่ต้องพิจารณาเพื่อทำความเข้าใจว่าค่าของ Q บอกคุณ: Q > K, Q = K และ Q < K. สำหรับ Q > Kซึ่งหมายความว่ามีผลิตภัณฑ์มากกว่าที่จะอยู่ในสภาวะสมดุล ดังนั้นปฏิกิริยาจะเปลี่ยนไปใช้ตัวทำปฏิกิริยาแทน

สำหรับ Q = Kปฏิกิริยาจะอยู่ในสภาวะสมดุลและจะคงอยู่เช่นนั้น เว้นแต่จะมีสิ่งใดมารบกวนระบบ (เช่น หากเพิ่มความร้อนหรือความดันเพิ่มขึ้น)

สำหรับ Q < Kมีสารตั้งต้นมากกว่าผลิตภัณฑ์ที่มีอยู่มากกว่าที่สมดุล ดังนั้นปฏิกิริยาจะดำเนินการในทิศทางไปข้างหน้าและสนับสนุนการก่อตัวของผลิตภัณฑ์