Φόρμουλα σταθερής ισορροπίας

Η σταθερά ισορροπίας παρέχει πληροφορίες σχετικά με τη σύνδεση μεταξύ των προϊόντων και των αντιδρώντων όταν μια χημική διεργασία φτάσει σε ισορροπία. Υποδηλώνεται συνήθως με το σύμβολο K. Σε αυτό το άρθρο, θα κατανοήσουμε την έννοια και τον τύπο της σταθεράς ισορροπίας.

Τύπος σταθερής ισορροπίας

Σύμφωνα με τον τύπο της σταθεράς ισορροπίας, η αναλογία της συγκέντρωσης των προϊόντων προς τη συγκέντρωση των αντιδρώντων, το καθένα ανυψωμένο στους αντίστοιχους στοιχειομετρικούς συντελεστές, μπορεί να οριστεί ως η σταθερά ισορροπίας της συγκέντρωσης. Υποδεικνύεται με Kc σε μια χημική αντίδραση σε ισορροπία.

Μπορείτε να διαπιστώσετε ότι υπάρχουν διαφορετικοί τύποι σταθερών ισορροπίας. Αυτές οι σταθερές δίνουν σχέσεις ως προς τις διαφορετικές μονάδες μεταξύ των προϊόντων και των αντιδρώντων αντιδράσεων ισορροπίας.

Έτσι, όταν η αντίδραση φτάσει σε ισορροπία:

aA + bB ↔ cC + dD

Rate of the Forward Reaction =Rate of the Backward Reaction

Δηλαδή, Rf =Rb 

ή

Kf × α × [A]a[B]b =  Kb × α × [C]c [D]d

Έτσι, για μια αναστρέψιμη αντίδραση:

aA + bB ↔ cC + dD

Η σταθερά ισορροπίας K θα είναι η εξής: 

K=[C]c  [D]d [A]a [B]b

όπου

[A] =Συγκέντρωση ισορροπίας του A 

[B] =Συγκέντρωση ισορροπίας του B

[C] =Συγκέντρωση ισορροπίας του C

[D] =Συγκέντρωση ισορροπίας του D

Ομοίως, όταν η αντίδραση περιλαμβάνει αέρια, ο τύπος θα είναι:

K =kfkb

Kp =[PC]c [PD]d / [PA]a [PB]b

Αν ακολουθήσουμε τον τύπο της σταθεράς ισορροπίας, τότε η σταθερά ισορροπίας απεικονίζεται ως προς τη μερική πίεση των αερίων. Επομένως, στον παραπάνω τύπο, η Kp ορίζει τη σταθερά ισορροπίας ως προς τις μερικές πιέσεις. Επιπλέον, το αποτέλεσμα των τιμών υποδηλώνει τα εξής:

• Ο υψηλότερος σχηματισμός προϊόντος και τα υψηλότερα ποσοστά μετατροπής υποδεικνύονται από τις μεγαλύτερες τιμές του KcKp
• Ο χαμηλότερος σχηματισμός προϊόντος και τα χαμηλότερα ποσοστά μετατροπών υποδεικνύονται από χαμηλότερες τιμές KcKp.

• Υπάρχει βέλτιστος σχηματισμός προϊόντος όταν οι τιμές του μέσου KcKpare.

Μονάδα σταθεράς ισορροπίας

Η μονάδα της σταθεράς ισορροπίας είναι ίση με:

t =[Mole L-1]△n.

Εδώ, ∆n =Η άθροιση στοιχειομετρικών συντελεστών προϊόντων – Άθροισμα στοιχειομετρικών συντελεστών αντιδρώντων. Αυτή η εξίσωση είναι το αποτέλεσμα επειδή η σταθερά ισορροπίας μπορεί να οριστεί ως ο λόγος των συγκεντρώσεων που αυξήθηκαν προς τους στοιχειομετρικούς συντελεστές.

Σχέση μεταξύ του πηλίκου αντίδρασης και της ελεύθερης ενέργειας Gibbs 

Η διαδικασία σχετίζεται με την αλλαγή της ελεύθερης ενέργειας. Σε κατάσταση ισορροπίας, Κ είναι ο σχετικός αριθμός προϊόντων προς τα αντιδρώντα. Αντίθετα, το Q αντιπροσωπεύει την αναλογία σε οποιοδήποτε σημείο της αντίδρασης. Η κατεύθυνση της αντίδρασης μπορεί να προσδιοριστεί συγκρίνοντας την τιμή Q με την τιμή K.

Έτσι, όπου το △G αναφέρεται στην ελεύθερη ενέργεια Gibbs, το K αναφέρεται στη σταθερά ισορροπίας και το Q σχετίζεται με το πηλίκο αντίδρασης, 

Η σχέση μεταξύ του πηλίκου της αντίδρασης και της ελεύθερης ενέργειας Gibbs μπορεί να επαναληφθεί ως εξής:

1. Όταν στην αρχή της αντίδρασης, △G <0 και Qc ˂ Kc ή Kp, τότε η αντίδραση θα έχει ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό προϊόντων.

1. Όταν △G =0 και Qc =Kc ή Kp, η αντίδραση βρίσκεται σε ισορροπία και υπάρχουν επακόλουθες αλλαγές στη συγκέντρωση του μείγματος.

1. Όταν μετά την ισορροπία,  △G> 0 και Qc> Kc ή Kp, τότε η αντίδραση θα έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό αντιδρώντων.

Παράγοντες που επηρεάζουν τη σταθερά ισορροπίας

Η σταθερά ισορροπίας επηρεάζεται από τους παράγοντες που αναφέρονται παρακάτω:

• Η αντίδραση απελευθερώνει τη συγκέντρωση των αφαιρεθέντων αντιδραστηρίων ή προϊόντων προς την κατεύθυνση της αναπλήρωσης της ουσίας που αφαιρέθηκε. Σε χημική ισορροπία, η σύνθεση αλλάζει όταν μεταβάλλεται η ποσότητα του αντιδρώντος ή του προϊόντος.
• Η αλλαγή στην ένταση προκαλεί την αλλαγή της πίεσης. Η συνολική ποσότητα αέριων αντιδραστηρίων και προϊόντων αλλάζει όταν αλλάζει η πίεση, μετασχηματίζοντας την αέρια διεργασία.
• Οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας έχουν αντίκτυπο στους ρυθμούς αντίδρασης. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η σταθερά ισορροπίας μιας εξώθερμης αντίδρασης πέφτει.

Υπολογισμός

Εάν δοθούν οι τιμές, η σταθερά ισορροπίας μπορεί εύκολα να υπολογιστεί. Τα βήματα που δίνονται παρακάτω θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν κατά τον υπολογισμό της σταθεράς ισορροπίας:

• Το πρώτο βήμα είναι να αλλάξετε τις τιμές στον τύπο της σταθεράς ισορροπίας.
• Στη συνέχεια, πρέπει να προσδιοριστούν οι μοριακές συγκεντρώσεις ή οι μερικές πιέσεις των αντιδρώντων και των προϊόντων.
• Χρησιμοποιώντας το διάγραμμα, υπολογίστε όλες τις σταθερές συγκεντρώσεις ισορροπίας ή τις μερικές πιέσεις.
• Τέλος, λύστε το K αντικαθιστώντας τον τύπο ισορροπίας.

Χαρακτηριστικά σταθεράς ισορροπίας

• Η τιμή της σταθεράς ισορροπίας δεν επηρεάζεται από την αρχική συγκέντρωση των αντιδρώντων.
• Το αντίστροφο της σταθεράς αρχικής ισορροπίας είναι η αντίστροφη σταθερά ισορροπίας. Αυτό μπορεί να αντικατοπτρίζεται ως:

Krev =1keq

• Η σταθερά ισορροπίας δεν επηρεάζεται από την παρουσία ενός καταλύτη. Αυτό συμβαίνει επειδή ο καταλύτης επηρεάζει εξίσου τον ρυθμό των αντιδράσεων προς τα εμπρός και προς τα πίσω.
• Η τιμή της σταθεράς ισορροπίας κυμαίνεται καθώς αλλάζει η θερμοκρασία για την ίδια διαδικασία.
• Οποιαδήποτε αλλαγή στη στοιχειομετρία της αντίδρασης προκαλεί μια αντίστοιχη αλλαγή στην ισχύ της σταθεράς ισορροπίας.

• Τέλος, οι αντιδράσεις ισορροπίας λαμβάνουν χώρα την ίδια στιγμή και έχουν το ίδιο αποτέλεσμα. Η σταθερά ισορροπίας της αντίδρασης παραμένει σταθερή. Λόγω της μεγαλύτερης συγκέντρωσης του κοινού προϊόντος, οι συγκεντρώσεις του προϊόντος θα μειωθούν.

Συμπέρασμα

Η αναλογία των συγκεντρώσεων προϊόντων και αντιδρώντων σε μια χημική αντίδραση σε κατάσταση ισορροπίας μπορεί να ονομαστεί σταθερά ισορροπίας. Η σταθερά ισορροπίας δεν επηρεάζεται από την παρουσία ενός καταλύτη. Αυτό συμβαίνει επειδή ο καταλύτης επηρεάζει εξίσου τον ρυθμό των αντιδράσεων προς τα εμπρός και προς τα πίσω. Η τιμή της σταθεράς ισορροπίας κυμαίνεται καθώς αλλάζει η θερμοκρασία για την ίδια διαδικασία.