Υπολογισμός της συγκέντρωσης ισορροπίας

Η σταθερά ισορροπίας παρέχει πληροφορίες σχετικά με τη σύνδεση μεταξύ των προϊόντων και των αντιδρώντων όταν μια χημική διεργασία φτάσει σε ισορροπία. Συνήθως υποδεικνύεται με το σύμβολο K. Σε αυτό το άρθρο, θα μάθουμε την έννοια και τον τύπο της σταθεράς ισορροπίας μαζί με λυμένα παραδείγματα. Αυτό το άρθρο αναλύει επίσης τα βήματα για τον υπολογισμό της συγκέντρωσης ισορροπίας.

Τύπος σταθερής ισορροπίας

Για να υπολογίσουμε τη συγκέντρωση ισορροπίας, πρέπει πρώτα να γνωρίζουμε ότι η σταθερά ισορροπίας υποδεικνύεται με Kc σε μια χημική αντίδραση σε ισορροπία. Η αναλογία της συγκέντρωσης των προϊόντων προς τη συγκέντρωση των αντιδρώντων, το καθένα ανυψωμένο στους αντίστοιχους στοιχειομετρικούς συντελεστές του, μπορεί να οριστεί ως η σταθερά ισορροπίας της συγκέντρωσης.

Έτσι, όταν η αντίδραση φτάσει σε ισορροπία:

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

Πού,

[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

=[C]c  [D]d [A]a [B]b

=Kp 

Έτσι, 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 μετατροπής υποδεικνύονται από χαμηλότερες τιμές KcKp

• Υπάρχει βέλτιστος σχηματισμός προϊόντος όταν οι τιμές του KcKp είναι μέτριες.

Μονάδα σταθεράς ισορροπίας

Η μονάδα της σταθεράς ισορροπίας είναι:

t =[Mole L-1]△n

Εδώ, ∆n =Η άθροιση των στοιχειομετρικών συντελεστών των προϊόντων – Η άθροιση των στοιχειομετρικών συντελεστών των αντιδρώντων.

Αυτό συμβαίνει επειδή η σταθερά ισορροπίας είναι ο λόγος των συγκεντρώσεων που αυξήθηκαν προς τους στοιχειομετρικούς συντελεστές.

Το ICE Table

Η χρήση του πίνακα ICE για την εύρεση της εξίσωσης συγκέντρωσης ισορροπίας είναι η ευκολότερη μέθοδος. Ο πίνακας ICE είναι ένας καλά οργανωμένος πίνακας που δείχνει πόση ποσότητα από κάθε προϊόν και αντιδραστήριο δίνεται και πόση ποσότητα πρέπει να βρεθεί. Όταν εξετάζουμε τον τρόπο υπολογισμού της συγκέντρωσης ισορροπίας, η σταθερά ισορροπίας και ο πίνακας θα είναι χρήσιμοι. Ο πίνακας ICE σημαίνει:

1. Αρχική συγκέντρωση
2. Αλλαγή στις συγκεντρώσεις
3. Συγκέντρωση ισορροπίας

Υπολογισμός της συγκέντρωσης ισορροπίας

Σε περιπτώσεις όπου δίνονται κάποιες τιμές και κάποιες όχι, θα πρέπει να χρησιμοποιούνται τα ακόλουθα βήματα κατά τον υπολογισμό της συγκέντρωσης ισορροπίας:

Βήμα 1:Γράψτε την ισορροπημένη εξίσωση της αντίδρασης.

Το πρώτο βήμα για τον υπολογισμό της σταθεράς ισορροπίας είναι να γραφεί η ισορροπημένη εξίσωση της χημικής αντίδρασης με τη μορφή aA +bB cC + dD.

Βήμα 2:Μετατρέψτε τις μονάδες συγκέντρωσης.

Το δεύτερο κρίσιμο βήμα είναι η μετατροπή των μονάδων συγκέντρωσης. Πρέπει να μετατρέψουμε τη συγκέντρωση των αντιδρώντων και των προϊόντων ως προς τη μοριακότητά τους.

Βήμα 3:Δημιουργήστε τον πίνακα ICE μιας δεδομένης αντίδρασης.

Το τρίτο βήμα για τον υπολογισμό της σταθεράς ισορροπίας είναι η δημιουργία του πίνακα ICE της δεδομένης αντίδρασης εισάγοντας την αρχική συγκέντρωση, την αλλαγή στις συγκεντρώσεις και τη συγκέντρωση ισορροπίας.

Βήμα 4:Αντικαταστήστε τις τιμές.

Χρησιμοποιώντας τον τύπο για τον υπολογισμό της σταθεράς ισορροπίας, δηλ. K=[C]c  [D]d [A]a [B]b, θα σχηματίσουμε μια εξίσωση όπου «x» είναι η άγνωστη μεταβλητή.

Βήμα 5:Λύστε για x.

Το πέμπτο και τελευταίο βήμα είναι να λύσετε την τετραγωνική εξίσωση που σχηματίστηκε έτσι και να βρείτε την τιμή του «x».

Λυμένο παράδειγμα

Ερώτηση:Ένα μείγμα 0,40 mol N2 και 0,96 mol H2 τοποθετούνται σε δοχείο 2,00 L σε σταθερή θερμοκρασία. Το μείγμα αφήνεται να φτάσει σε ισορροπία. Στο στάδιο της ισορροπίας, η συγκέντρωση της NH3 είναι 0,14 M.  

Χρησιμοποιώντας τη σταθερά ισορροπίας, βρείτε τη σταθερά ισορροπίας Kc για τη δεδομένη εξίσωση:

N2 + 3 H2 → 2 NH3

Λύση: 

Βήμα 1:Γράψτε την ισορροπημένη εξίσωση της αντίδρασης.

N2 + 3 H2 → 2 NH3

Βήμα 2:Γράψτε τη συγκέντρωση των αντιδρώντων και των προϊόντων σε μοριακές μονάδες.

Οι γνωστές μοριακές συγκεντρώσεις είναι:

[N2]i    =0,40 mol/2,00 L   =0,20 M

[H2]i    =0,96 mol/2,00 L   =0,48 M

[NH3] eq                               =0,14M

Βήμα 3:  Δημιουργήστε το ICE Table.

Χρησιμοποιώντας τις γνωστές συγκεντρώσεις των αντιδρώντων και των προϊόντων, προσδιορίζουμε τις συγκεντρώσεις ισορροπίας Ν2 και Η2:

Μοριακή συγκέντρωση	N2	H2	NH3
Αρχικό (i)	0,20	0,48	0
Αλλαγή	-x	-3x	+2x
Ισορροπία (eq)	0,20 – x	0,48 – 3x	2x

Βήμα 4:Λύστε για x.

Γνωρίζουμε ότι η συγκέντρωση ισορροπίας της NH3 είναι 0,14 M,

Επομένως, 

2x =0,14 M 

Έτσι, 

x =0,07 M

Δεδομένου ότι γνωρίζουμε ήδη την τιμή του x, μπορούμε τώρα να υπολογίσουμε τις συγκεντρώσεις ισορροπίας του N2 και του H2. Αυτά είναι τα εξής:

[N2] eq =0,20-0,07             =0,13M

[H2] eq  =0,48 – 3 (0,07)       =0,27M

Βήμα 5:Εύρεση της σταθεράς ισορροπίας.

Γνωρίζουμε ότι ο τύπος της σταθεράς ισορροπίας είναι:

K =kfkb

=[C]c  [D]d [A]a [B]b

Επομένως, η εξίσωση ισορροπίας για τη δεδομένη αντίδραση θα είναι:

Kc =[NH3]2 / [N2][H2]3 =[NH3]2[N2]2 [H2]3

Έτσι,

Kc =  [0,14]2[0,13]2 [0,27]3 =7,66

Συμπέρασμα

Η σταθερά ισορροπίας μας λέει για τη σύνδεση μεταξύ των προϊόντων και των αντιδρώντων όταν μια χημική διεργασία φτάσει σε ισορροπία. Η σταθερά ισορροπίας υποδεικνύεται με Kc σε μια χημική αντίδραση σε ισορροπία. Η αναλογία της συγκέντρωσης των προϊόντων προς τη συγκέντρωση των αντιδρώντων, το καθένα ανυψωμένο στους αντίστοιχους στοιχειομετρικούς συντελεστές του, μπορεί να οριστεί ως η σταθερά ισορροπίας της συγκέντρωσης.