Ако виждаш това съобщение, значи уебсайтът ни има проблем със зареждането на външни ресурси.

If you're behind a web filter, please make sure that the domains *.kastatic.org and *.kasandbox.org are unblocked.

Основно съдържание

Равновесната константа К

Обратими реакции, равновесие и равновесна константа K. Как да изчислим K и как да използваме К, за да определим дали в дадена реакция при равновесие силно се благоприятстват продуктите или реагиращите вещества.

Основни идеи

  • Обратимата реакция може да протече в права и в обратна посока.
  • При състояние на равновесие скоростта на правата реакция е равна на скоростта на обратната реакция. Концентрациите на всички реактанти и продукти в равновесие са константи.
  • При дадена реакция aA+bBcC+dD константата на равновесие Kc, също наречена К или Keq, се дефинира както следва:
Kc=[C]c[D]d[A]a[B]b
  • За реакции, които не са в равновесие, можем да запишем подобен израз, наречен коефициент на реакцията Q, който при равновесие е равен на Kc.
  • Kc и Q могат да се използват за определяне на това дали дадена реакция е в равновесие, за изчисляване на концентрациите в равновесие и за оценяване дали в равновесие реакцията благоприятства продуктите или реактантите.

Въведение: обратими реакции и равновесие

Една обратима реакция може да протече и в посока напред, и в посока назад. Повечето реакции теоретично са обратими в затворена система, въпреки че някои могат да бъдат приети за необратими, ако силно благоприятстват образуването на реактантите или продуктите. Двойният знак с полустрелки, който използваме, когато записваме уравнения на обратими реакции, , е добро визуално напомняне, че тези реакции могат да протекат или в посока напред, за да се създадат продукти, или назад, за да се създадат реактанти. Един пример за обратима реакция е образуването на азотен диоксид NO2 от диазотен тетраоксид N2O4:
N2O42NO2
Представи си, че добавим безцветен газ N2O4 в обезвъздушен стъклен съд на стайна температура. Ако гледаме стъкления съд известно време, ще видим как газът в ампулата се променя до жълтеникаво-оранжев цвят и постепенно потъмнява, докато след някакъв момент цветът остане постоянен. Можем да изобразим графично концентрацията на NO2 и N2O4 във времето за този процес, както е показано на графиката по-долу.
Графика на зависимостта концентрации/време от обратното превръщане на диазотен тетраоксид в азотен оксид. За времето, показано с пунктирана линия, концентрациите на двете съединения са постоянни и реакцията е в равновесие. Източник на изображението: Графика, модифицирана от OpenStax Chemistry, CC BY 4.0
Първоначално стъкленият съд съдържа само N2O4, а концентрацията на NO2 е 0 M. Когато N2O4 се превръща в NO2, концентрацията на NO2 се увеличава до определена точка, показано на графиката с прекъсната линия вляво, а след това остава постоянна. По подобен начин концентрацията на N2O4 намалява от началната концентрация, докато достигне равновесната концентрация. Когато концентрациите на NO2 и N2O4 останат постоянни, реакцията е достигнала равновесие.
Всички реакции се стремят към химично равновесие – точката, в която двата процеса (прав и обратен) протичат с еднаква скорост. Тъй като скоростите на правия и на обратния процес са равни, концентрациите на реактантите и на продуктите са постоянни в равновесие. Важно е да запомниш, че въпреки че концентрациите в равновесие са постоянни, реакцията все още протича! Затова понякога наричаме това състояние динамично равновесие.
Въз основа на концентрациите на всички реакционни вещества при равновесие можем да дефинираме величина, наречена константа на равновесие Kc, която понякога се записва и като Keq или K. Долният индекс c означава концентрация, тъй като константата на равновесие описва моларните концентрации в molL при равновесие за конкретна температура. Константата на равновесие може да ни помогне да разберем дали при равновесие в реакционната смес по принцип има по-висока концентрация на продуктите, или на реактантите. Можем също да използваме Kc, за да определим дали реакцията вече е достигнала равновесие.

Как изчисляваме Kc?

Разгледай балансираната обратима реакция по-долу:
aA+bBcC+dD
Ако знаем моларните концентрации на всяко съединение в реакцията, можем да намерим Kc, като използваме формулата
Kc=[C]c[D]d[A]a[B]b
където [C] и [D] са равновесните концентрации на продуктите; [A] и [B] са равновесните концентрации на реагентите; а степенните показатели a, b, c и d са стехиометричните коефициенти от балансираната химична реакция. Концентрациите обикновено се изразяват в единици molL.
Диазотен тетраоксид, безцветна течност и газ, е в равновесие с азотен диоксид, оранжево-кафяв газ. Равновесната константа и равновесните концентрации на двете съединения зависят от температурата! Температура на ампулите от ляво надясно: -196 C, 0 C, 23 C, 35 C и 50 C. Източник на изображението: Eframgoldberg on Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
Когато изчисляваме Kc, трябва да помним няколко важни неща:
  • Kc е константа за конкретна реакция при конкретна температура. Ако температурата или реакцията се променят, Kc също ще се промени.
  • Чистите твърди вещества и чистите течности, включително разтворителите, не се включват във формулата за равновесието.
  • Kc често се записва безразмерно, в зависимост от учебника.
  • Реакцията трябва да е балансирана, като коефициентите трябва да са записани като най-малките възможни целочислени стойности, за да се получи правилната стойност за Kc.
Забележка: Ако някой от реагентите или продуктите е газообразен, можем да запишем равновесната константа по отношение на парциалното налягане на газовете. Обиновено записваме тази стойност като Kp, за да я различаваме от равновесната константа Kc, определена според моларността. В тази статия ще се фокусираме върху Kc.

Какво ни показва стойността на Kc за реакцията в равновесие?

Големината на Kc може да ни даде информация за равновесните концентрации на реагентите и на продукта:
  • Ако стойността на Kc е много голяма, ~1000 или повече, при равновесието ще имаме най-вече продукти от реакцията.
  • Ако стойността на Kc е много малка, ~0,001 или по-малко, в състояние на равновесие ще имаме основно реагенти.
  • Ако стойността на Kc е между 0,001 и1000, ще имаме значителна концентрация от продукти и реагенти в равновесие.
Като използваме тези насоки, можем бързо да изчислим дали в една реакция силно се благоприятства правата посока, за да се получат продуктите – при много голяма стойност на Kc, или силно се благоприятства обратната посока, за да се получат реактантите – при много ниска стойност на Kc, или е някъде по средата.

Пример

Част 1: Изчисляване на Kc от равновесните концентрации

Да разгледаме равновесната реакция между серен диоксид и кислород, при която се образува серен триоксид:
2SO2+O22SO3
Реакцията е в равновесие при определена температура T и са измерени следните равновесни концентрации:
[SO2]=0,90M[O2]=0,35M[SO3]=1,1M
Можем да изчислим Kc за реакцията при температура T, като решим следния израз:
Kc=[SO3]2[SO2]2[O2]
Ако заместим известните равновесни концентрации в горното уравнение, ще получим:
Kc=[SO3]2[SO2]2[O2]=[1,1]2[0,90]2[0,35]=4,3
Тъй като изчислената стойност на Kc е между 0,001 и 1000, можем да очакваме, че в състояние на равновесие в реакционната смес ще има значителни концентрации от реагенти и продукти, а не предимно продукти или реагенти.

Част 2: Използване на коефициента на реакция Q, за да проверим дали реакцията е в равновесие

Вече знаем равновесната константа за тази температура: Kc=4,3. Представи си, че имаме същата реакция при същата температура T, но този път измерваме следните концентрации в друг съд:
[SO2]=3,6M[O2]=0,087M[SO3]=2,2M
Бихме искали да знаем дали тази реакция е в равновесие, но как можем да го разберем? Когато не сме сигурни дали реакцията е в равновесие, можем да изчислим коефициента на реакцията Q:
Q=[SO3]2[SO2]2[O2]
Може би се чудиш защо това уравнение изглежда толкова познато и каква е разликата между Q и Kc. Основната разлика е, че можем да изчислим Q за реакция по всяко време, без значение дали реакцията е в равновесие, или не, но можем да изчислим Kc само в равновесие. Като сравним Q с Kc, можем да кажем дали реакцията е в равновесие, защото в равновесие Q=Kc.
Ако изчислим Q, като използваме горните концентрации, получаваме:
Q=[SO3]2[SO2]2[O2]=[2,2]2[3,6]2[0,087]=4,3
Тъй като стойността на Q е равна на Kc, знаем, че новата реакция също е в равновесие. Ура!

Пример 2: Използваме Kc, за да намерим равновесните състави

Да разгледаме равновесната смес от N2, O2 и NO:
N2+O22NO
Можем да запишем израза за равновесната концентрация по следния начин:
Kc=[NO]2[N2][O2]
Знаем, че равновесната константа е 3,41021 за дадената температура и знаем следните равновесни концентрации:
[N2]=[O2]=0,1M
Каква е концентрацията на NO в равновесие?
Тъй като Kc е по-малко от 0,001, ще предположим, че при равновесие реагентите N2 и O2 ще присъстват в много по-голяма концентрация, отколкото продукта NO. Така ще очакваме, че изчислената концентрация на NO ще бъде много ниска в сравнение с концентрациите на реагентите.
Ако знаем, че равновесните концентрации на N2 и O2 са 0,1 M, можем да преобразуваме уравнението за Kc, за да изчислим концентрацията на NO:
Kc=[NO]2[N2][O2]                NO трябва да остане от едната страна.
[NO]2=K[N2][O2]       Намери корен квадратен от двете страни, за да решиш за [NO].
[NO]=K[N2][O2]
Ако заместим нашите равновесни концентрации и стойността на Kc, получаваме:
[NO]=K[N2][O2]=K[N2][O2]=(3,41021)(0,1)(0,1)=5,81012M
Както предположихме, концентрацията на NO, която е 5,81012M, е много по-малка от концентрациите на реагентите [N2] и [O2].

Резюме

Ако скоростта на хората, които влизат във водата, е равна на скоростта на хората, които излизат от водата, то системата е в равновесие! Общият брой хора на плажа и броят на хората във водата ще остават постоянни, макар че плажуващите ще се местят между пясъка и водата. Източник на изображението: penreyes on flickr, CC BY 2.0
  • Обратимата реакция може да протече в права и в обратна посока.
  • При състояние на равновесие скоростта на правата реакция е равна на скоростта на обратната реакция. Концентрациите на всички реактанти и продукти в равновесие са константи.
  • За дадена химична реакция aA+bBcC+dD константата на равновесие Kc, означавана също и K или Keq, се дефинира чрез моларните концентрации както следва:
Kc=[C]c[D]d[A]a[B]b
  • За реакции, които не са в равновесие, можем да запишем подобен израз, наречен коефициент на реакцията Q, който при равновесие е равен на Kc.
  • Kc може да се използва, за да се определи дали дадена реакция е в равновесие, да се изчислят концентрациите в равновесие и да се оцени дали в равновесие реакцията благоприятства образуването на продукти или на реагенти

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Все още няма публикации.
Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.