Χαρακτηριστικά της σταθεράς ισορροπίας

Η σταθερά ισορροπίας, Κ, ορίζει τη σχέση μεταξύ των αντιδρώντων και των προϊόντων μιας αντίδρασης σε ισορροπία. Μια αντίδραση φθάνει σε ισορροπία όταν ο ρυθμός της αντίδρασης προώθησης και αντίδρασης προς τα πίσω είναι ίσος. Οι συγκεντρώσεις όλων των αντιδρώντων και όλων των προϊόντων είναι σταθερές στην ισορροπία. Μια παρόμοια σταθερά που ονομάζεται πηλίκο αντίδρασης Q χρησιμοποιείται όταν τα αντιδρώντα δεν βρίσκονται σε ισορροπία. Είναι ίσο με Kc.

Τι είναι η σταθερά ισορροπίας;

Η σταθερά ισορροπίας είναι η αναλογία της συγκέντρωσης των προϊόντων σε ισορροπία, αυξημένη προς τους στοιχειομετρικούς συντελεστές τους, προς τη συγκέντρωση των αντιδρώντων σε ισορροπία, αυξημένη στους στοιχειομετρικούς συντελεστές τους.

Για παράδειγμα, μια αναστρέψιμη αντίδραση:

aA + bB =cC + dD

Τότε η σταθερά ισορροπίας Κ είναι ίση με:

όπου,

[A] =Συγκέντρωση ισορροπίας του A

[B] =Συγκέντρωση ισορροπίας του B

[C] =Συγκέντρωση ισορροπίας του C

[D] =Συγκέντρωση ισορροπίας του D

Για αντιδράσεις που περιλαμβάνουν αέρια, η σταθερά ισορροπίας γράφεται ως προς τη μερική πίεση των αερίων.

Εδώ το Kp ορίζει τη σταθερά ισορροπίας ως προς τις μερικές πιέσεις.

• Μεγαλύτερες τιμές kc / kp υποδηλώνουν υψηλότερο σχηματισμό προϊόντων και υψηλότερα ποσοστά μετατροπής.
• Οι χαμηλότερες τιμές kc / kp σημαίνουν χαμηλότερο σχηματισμό προϊόντων και χαμηλότερα ποσοστά μετατροπής.
• Οι μεσαίες τιμές kc / kp υποδεικνύουν τον βέλτιστο σχηματισμό προϊόντος.

Χαρακτηριστικά της σταθεράς ισορροπίας

Η κατανόηση των χαρακτηριστικών της σταθεράς ισορροπίας είναι σημαντική επειδή βοηθούν στον υπολογισμό της σταθεράς ισορροπίας.

• Η σταθερά ισορροπίας έχει μια καθορισμένη τιμή για κάθε αντίδραση σε μια δεδομένη θερμοκρασία.
• Η τιμή της σταθεράς ισορροπίας είναι ανεξάρτητη από την αρχική συγκέντρωση των αντιδρώντων.
• Η παρουσία ενός καταλύτη δεν επηρεάζει τη σταθερά ισορροπίας. Αυτό συμβαίνει επειδή ο καταλύτης έχει ίση επίδραση στον ρυθμό των αντιδράσεων προς τα εμπρός και προς τα πίσω.
• Για την ίδια αντίδραση, η τιμή της σταθεράς ισορροπίας αλλάζει με την αλλαγή της θερμοκρασίας.
• Η σταθερά ισορροπίας της αντίστροφης ισορροπίας είναι το αντίστροφο της αρχικής ισορροπίας, π.χ.

• Οποιαδήποτε αλλαγή στη στοιχειομετρία της αντίδρασης οδηγεί σε αλλαγή της ισχύος της σταθεράς ισορροπίας κατά την ίδια ποσότητα.

Για παράδειγμα, εάν για την αντίδραση A + B =C + D 

η σταθερά ισορροπίας είναι K

Στη συνέχεια, για την αντίδραση 3A + 3B =3C + 3D 

η σταθερά ισορροπίας είναι K3

• Στην περίπτωση των σταδιακών πολλαπλών ισορροπιών που οδηγούν στα τελικά προϊόντα, η καθαρή σταθερά ισορροπίας είναι ίση με το γινόμενο κάθε σταδιακής σταθεράς ισορροπίας. Άρα, η καθαρή σταθερά ισορροπίας K =K1 K2 K3
• Οι αντιδράσεις ισορροπίας συμβαίνουν ταυτόχρονα και παράγουν το ίδιο προϊόν. Η σταθερά ισορροπίας των αντιδράσεων παραμένει σταθερή. Οι συγκεντρώσεις του προϊόντος θα μειωθούν λόγω της υψηλότερης συγκέντρωσης του κοινού προϊόντος.

Παράγοντες που επηρεάζουν τη σταθερά ισορροπίας

• Η συγκέντρωση των αφαιρεθέντων αντιδραστηρίων ή προϊόντων απελευθερώνεται από την αντίδραση προς την κατεύθυνση που αναπληρώνει την ουσία που αφαιρέθηκε. Όταν αλλάζει η συγκέντρωση του αντιδρώντος ή του προϊόντος, αλλάζει η σύνθεση του μείγματος σε χημική ισορροπία.
• Η αλλαγή του όγκου προκαλεί την αλλαγή της πίεσης. Ο συνολικός αριθμός των αέριων αντιδραστηρίων και προϊόντων αλλάζει εάν αλλάξει η πίεση, μετασχηματίζοντας την αέρια αντίδραση.
• Ο ρυθμός της αντίδρασης επηρεάζεται επίσης από τις αλλαγές θερμοκρασίας. Η σταθερά ισορροπίας μιας εξώθερμης αντίδρασης μειώνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία.

Υπολογισμός της συγκέντρωσης ισορροπίας

• Το πρώτο βήμα είναι η αντικατάσταση των τιμών στον τύπο της σταθεράς ισορροπίας.
• Στη συνέχεια, προσδιορίστε τη μοριακή συγκέντρωση ή τις μερικές πιέσεις των αντιδρώντων και των προϊόντων.
• Προσδιορίστε όλες τις σταθερές συγκεντρώσεις ισορροπίας ή τη μερική πίεση χρησιμοποιώντας το διάγραμμα.
• Αντικαταστήστε τον τύπο ισορροπίας και λύστε το Κ.

Για παράδειγμα:

Ένα μείγμα 0,100 M NO, 0,050 M H2, 0,100 M H2O αφέθηκε να φτάσει σε ισορροπία (αρχικά, η αντίδραση δεν είχε καθόλου N2). Σε κατάσταση ισορροπίας, η συγκέντρωση του NO βρέθηκε να είναι 0,062 M. Βρείτε την τιμή της σταθεράς ισορροπίας K για την αντίδραση:

2 NO + 2 H2 =N2 + 2 H2O

Λύση:

Η έκφραση ισορροπίας της αντίδρασης είναι

• Δεδομένου ότι χρησιμοποιείται Kc, ελέγξτε εάν οι ποσότητες εκφράζονται σε moles ανά λίτρο (μοριακότητα).

• Δημιουργήστε ένα διάγραμμα ICE για κάθε είδος της αντίδρασης που δείχνει την αρχική συγκέντρωση, την αλλαγή στη συγκέντρωση και τη συγκέντρωση ισορροπίας. Το διάγραμμα δείχνει τις αλλαγές στις συγκεντρώσεις κάθε είδους καθώς και τις συγκεντρώσεις ισορροπίας. Ξεκινάμε με τις ακόλουθες πληροφορίες με βάση το παράδειγμα.

	ΟΧΙ	H2	N2	H2O
Αρχική Συγκέντρωση	0,100	0,0500	0	0,100
Αλλαγή συγκέντρωσης	-2x	-2x	+x	+2x
Συγκέντρωση ισορροπίας	0,062

Η διαφορά στη συγκέντρωση ΝΟ ήταν (0,062 Μ – 0,100 Μ) =– 0,038 Μ. Ως αποτέλεσμα, -2χ =-0,038 και χ =0,019. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι το αρνητικό πρόσημο υποδηλώνει φθίνουσα συγκέντρωση, όχι αρνητική συγκέντρωση.

	ΟΧΙ	H2	N2	H2O
Αρχική Συγκέντρωση	0,100	0,0500	0	0,100
Αλλαγή συγκέντρωσης	-0,038	-0,038	+0,019	+0,038
Συγκέντρωση ισορροπίας	0,062	0,012	0,019	0,138

Λύστε για Kc αντικαθιστώντας τις συγκεντρώσεις ισορροπίας στην έκφραση ισορροπίας.

=650 ή 6,5 X 102

Συμπέρασμα

Η σταθερά ισορροπίας K ορίζει τη σχέση μεταξύ προϊόντος και αντιδρώντος σε μια ισορροπία. Ο υπολογισμός της συγκέντρωσης ισορροπίας είναι εύκολος εάν δοθούν οι τιμές. Ο νόμος της χημικής ισορροπίας δηλώνει ότι δεν υπάρχει αλλαγή στη συγκέντρωση των αντιδρώντων ή των προϊόντων μετά την επίτευξη μιας ορισμένης κατάστασης, δηλαδή της ισορροπίας. Είναι δυνατό να επιτευχθεί χημική ισορροπία από οποιαδήποτε κατεύθυνση (εμπρός ή προς τα πίσω). Είναι δυναμικό, πράγμα που σημαίνει ότι οι ρυθμοί είναι ίσοι χωρίς καμία αλλαγή στη συγκέντρωση των προϊόντων και των αντιδρώντων. Αυτή η σταθερά ισορροπίας αλλάζει με αλλαγές στη θερμοκρασία, την πίεση και τη συγκέντρωση. Ένας καταλύτης μπορεί μόνο να αυξήσει ή να μειώσει το χρόνο επίτευξης της κατάστασης ισορροπίας χωρίς καμία αλλαγή στη συγκέντρωσή του. Επιπλέον, εάν η συγκέντρωση μειωθεί, τα αντιδρώντα αλλάζουν την ισορροπία και πηγαίνουν προς τα πίσω. Από την άλλη πλευρά, εάν η συγκέντρωση του προϊόντος αυξηθεί, τότε η ισορροπία μετατοπίζεται προς την πίσω θέση και εάν μειωθεί, πηγαίνει προς την εμπρός διαδρομή.