Konstanta kemijske ravnoteže

Uvod

Dinamička ravnoteža može se uspostaviti samo u zatvorenome sustavu kad se izjednače brzine polazne reakcije, v₁, i povratne reakcije, v₂.

Znate li...

...reakcija koja napreduje prema produktima može se još nazvati i unapredna reakcija ili desnosmjerna; dok reakcija koja se odvija u suprotnom smjeru unazadna ili lijevosmjerna reakcija?

Konstanta kemijske ravnoteže

Za neku kemijsku reakciju:

[latex]aA+bB\rightleftharpoons cC+dD[/latex]

izrazi za brzine polazne i povratne reakcije su: [latex]\mathit{v}_1=\mathit{k}_1\cdot \lbrack A\rbrack ^a\cdot \lbrack B\rbrack ^b[/latex] i [latex]\mathit{v}_2=\mathit{k}_2\cdot \lbrack C\rbrack ^c\cdot \lbrack D\rbrack ^d[/latex]

Budući da su u stanju dinamičke ravnoteže, brzine su izjednačene, v₁ = v₂ pa vrijedi:

[latex]\mathit{k}_1\cdot \lbrack A\rbrack ^a\cdot \lbrack B\rbrack ^b=\mathit{k}_2\cdot \lbrack C\rbrack ^c\cdot \lbrack D\rbrack ^d[/latex]

Omjer konstante brzine polazne reakcije i konstante brzine povratne reakcije nova je konstanta (K), a naziva se konstanta kemijske ravnoteže:

[latex]\mathit{K}=\frac{\mathit{k}_1}{\mathit{k}_2}[/latex]

Budući da konstanta kemijske ravnoteže predstavlja omjer množinskih koncentracija, naziva se i koncentracijska konstanta kemijske ravnoteže, (K_c), a njezina brojčana vrijednost ovisi isključivo o temperaturi.

[latex]\mathit{K}_c=\frac{\lbrack C\rbrack ^c\cdot \lbrack D\rbrack ^d}{\lbrack A\rbrack ^a\cdot \lbrack B\rbrack ^b}[/latex]

Za povratnu reakciju:

[latex]cC+dD\rightleftharpoons aA+bB[/latex]

koncentracijska konstanta ravnoteže K’_c:

[latex]\mathit{K}´_c=\frac{\lbrack A\rbrack ^a\cdot \lbrack B\rbrack ^b}{\lbrack C\rbrack ^c\cdot \lbrack D\rbrack ^d}[/latex]

Dakle, konstante ravnoteže polazne i povratne reakcije recipročne su vrijednosti.

[latex]\mathit{K}_c=\frac{1}{\mathit{K}´_c}[/latex]

Koncentracijska konstanta ravnoteže kemijske reakcije ima konstantnu vrijednost pri određenoj temperaturi i jednaka je omjeru umnožaka ravnotežnih množinskih koncentracija produkata i reaktanata potenciranih apsolutnim vrijednostima njihovih stehiometrijskih brojeva.

Zakon kemijske ravnoteže poznat je i kao Guldberg–Waageov zakon ili zakon o djelovanju masa. Mjerna jedinica konstante ravnoteže različita je za različite reakcije, a ovisi o stehiometrijskim brojevima reaktanata i produkata u reakciji.

Vrijednost konstante ravnoteže

Brojčana vrijednost konstante ravnoteže ukazuje na to gdje se uspostavlja ravnoteža pojedine reakcije.

ako su vrijednosti konstante ravnoteže u intervalu od 10^–2 do 10², u takvim su sustavima u ravnoteži prisutne čestice reaktanata i produkata u većim koncentracijama
ako je vrijednost konstante manja od 10^–2, ravnoteža je pomaknuta prema reaktantima
ako je vrijednost konstante veća od 10² ravnoteža je pomaknuta prema produktima.

Kako izračunati koncentracijsku konstantu ravnoteže?

Kad su ravnotežne koncentracije tvari u nekoj reakcijskoj smjesi poznate, vrlo je jednostavno izračunati koncentracijsku konstantu ravnoteže. Napiše se izraz za konstantu ravnoteže, uvrste ravnotežne množinske koncentracije i izračuna vrijednost konstante ravnoteže.

Ako su zadani masa, volumen ili množina tvari na početku reakcije, tada se najprije s pomoću navedenih podataka moraju izračunati ravnotežne koncentracije reaktanata i produkata u reakciji.

ZADATAK:

Ravnotežne koncentracije vodika i joda su 0,222 mol dm^–3, a jodovodika 1,56 mol dm^–3 za reakciju sinteze jodovodika pri 460 °C. Izračunajte vrijednost koncentracijske konstante ravnoteže, (K_c), pa zaključite je li znatnija polazna ili povratna reakcija.

ZADANO JE:

[H₂] = [I₂] = 0,222 mol dm^–3

[HI] = 1,56 mol dm^–3

TRAŽI SE:

K_c = ?

IZRADAK:

Napiše se jednadžba kemijske reakcije.

[latex]H_2\left(g\right)+I_2\left(g\right)\rightleftharpoons 2HI\left(g\right)[/latex]

Napiše se izraz za koncentracijsku konstantu ravnoteže (K_c).

[latex]\mathit{K}_c=\frac{\lbrack HI\rbrack ^2}{\lbrack H_2\rbrack \cdot \lbrack I_2\rbrack }[/latex]

U izraz konstante ravnoteže uvrste se vrijednosti ravnotežnih koncentracija i izračuna koncentracijska konstanta ravnoteže (K_c).

[latex]\mathit{K}_c=\frac{\left(1,56\space mol\space dm^{–3}\right)^2}{\left(0,222\space mol\space dm^{–3}\right)^2}=49,4[/latex]

ODGOVOR:

Izračunana vrijednost K_c = 49,4 pokazuje da je ravnoteža blago pomaknuta u smjeru stvaranja jodovodika, produkta reakcije. Budući da je vrijednost koncentracijske konstante ravnoteže veća od 1, u reakcijskoj je smjesi koncentracija produkata veća od koncentracije reaktanata.

Tlačna konstanta ravnoteže

Za reakciju u kojoj su reaktanti i produkti plinovi, mogu se umjesto množinskih koncentracija upotrijebiti vrijednosti parcijalnih tlakova u ravnotežnoj smjesi. Od navedenih se vrijednosti može izračunati vrijednost tlačne konstante, K_p.

ZADATAK:

Izračunajte vrijednost tlačne konstante kemijske reakcije razlaganja dušikova(IV) oksida, NO₂, pri temperaturi 427 °C ako su zadani ravnotežni parcijalni tlakovi sudionika reakcije: p(NO₂) = 19,0 kPa, p(NO) = 0,78 kPa i p(O₂) = 0,39 kPa.

ZADANO JE:

p(NO₂) = 19,0 kPa

p(NO) = 0,78 kPa

p(O₂) = 0,39 kPa

TRAŽI SE:

K_p = ?

IZRADAK:

Napiše se jednadžba kemijske reakcije: [latex]2NO_2\left(g\right)\rightleftharpoons 2NO\left(g\right)+O_2\left(g\right)[/latex]

Napiše se izraz za tlačnu konstantu kemijske ravnoteže, K_p:

[latex]\mathit{K}_p=\frac{\mathit{p}^2\left(NO\right)\cdot \mathit{p}\left(O_2\right)}{\mathit{p}^2\left(NO_2\right)}[/latex]

Uvrštavanjem ravnotežnih parcijalnih tlakova izračuna se vrijednost tlačne konstante ravnoteže.

[latex]\mathit{K}_p=\frac{\left(0,78\space kPa\right)^2\cdot 0,39\space kPa}{\left(19,0\space kPa\right)^2}=6,6\cdot 10^{–4}\space kPa[/latex]

ODGOVOR:

Tlačna konstanta navedene reakcije pri 427 °C: K_p = 6,6 · 10^–4 kPa

Tlačna konstanta ravnoteže, K_p, povezana je s koncentracijskom konstantom ravnoteže, K_c, izrazom:

[latex]\mathit{K}_p=\mathit{K}_c\cdot (\mathit{RT})^{\Delta \mathit{\nu }}[/latex]

gdje je:

Δν– razlika sume stehiometrijskih brojeva produkata i sume stehiometrijskih brojeva reaktanata

R = 8,314 ⋅ 10³ Pa dm³ mol⁻¹ K⁻¹

S obzirom na agregacijsko stanje tvari koje sudjeluju u kemijskoj reakciji, razlikuju se homogena i heterogena ravnoteža. Za homogenu ravnotežu karakteristično je da su svi reaktanti i produkti u istome, a za heterogenu ravnotežu, u različitim agregacijskim stanjima.

Primjer heterogene ravnoteže jest žarenje kalcijeva karbonata u zatvorenome sustavu.

[latex]CaCO_3\left(s\right)\rightleftharpoons CaO\left(s\right)+CO_2\left(g\right)[/latex]

U izrazu za tlačnu konstantu ravnoteže heterogenoga sustava sudionici reakcije u čvrstoj i čistoj tekućoj fazi ne uvrštavaju se u izraz za konstantnu ravnoteže, prema tomu vrijednost tlačne konstante navedene reakcije ovisi samo o parcijalnom tlaku ugljikova(IV) oksida.

[latex]CaCO_3\left(s\right)\rightleftharpoons CaO\left(s\right)+CO_2\left(g\right)\space \space \space \mathit{K}_p=\mathit{p}\left(CO_2\right)[/latex]