13.3 – Ligevægtskonstanter

Ved ligevægt, er koncentrationerne af reaktanterne og produkterne konstant. Vi kan bruge en skilift som en analogi. Tidligt om morgenen, begynder skiløbere ved bunden af bjerget, at tage skiliften op til løjperne. Efter skiløberne har nået toppen af bjerget, begynder de at køre ned af løjperne. På et tidspunkt, er antallet af skiløbere der kører op med liften, og antallet af skiløbere der kører ned at løjperne, lige stort. Der er ingen ændring i antallet af skiløbere på bjerget; systemet er i ligevægt.

Ligning for ligevægtskonstanten

Ved ligevægt, kan koncentrationerne bruges til at opsætte forholdet mellem produkterne og reaktanterne. Lad os antage, at vi vil skrive en generel ligning for reaktanterne A og B, som danner produkterne C og D. De små kursive bogstaver, er koefficienterne i den afbalancerede ligning:

En ligning for ligevægtskonstanten, for en reversibel kemisk reaktion, ganges koncentrationen af produkterne sammen og divideres med koncentrationerne af reaktanterne. Hver koncentration, opløftes med koncentrationens koefficient i den afbalancerede reaktion, som potens. Den kantede parentes omkring hvert stof, indikerer at koncentrationen er udtrykt i mol per liter (M). For vores generelle reaktion, skrives dette som:

Vi kan nu beskrive, hvordan vi skriver ligningen for ligevægtskonstanten for reaktionen mellem H₂ og I₂ som danner HI. Først behøver vi at opstille den afbalancerede kemiske ligning med en dobbeltpil mellem reaktanterne og produkterne:

${\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{I}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}\rightleftarrows 2{\mathrm{HI}}_{\left(\mathrm{g}\right)}$

Nu kan vi vise koncentrationerne af produkterne, ved at bruge kantede parenteser i tælleren og koncentrationerne af reaktanterne i kantede parenteser i nævneren:

Til sidst, skriver vi alle koefficienter i den afbalancerede kemiske ligning, som en eksponent af dens koncentration (koefficienten 1 er underforstået), og sætter ligningen lig med K_c:

Konceptforståelse 13.3

Ligningen for ligevægtskonstanten Vælg den korrekte opstillede ligning for ligevægtskonstanten for følgende reaktion, og forklar dit valg: ${\mathrm{CH}}_{4\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{\left(\mathrm{g}\right)}\rightleftarrows {\mathrm{CO}}_{\left(\mathrm{g}\right)}+3{\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}$ a.          b. c.          d. Svar Den korrekte ligning for ligevægtskonstanten er b. Produkterne skrives i tælleren og reaktanterne i nævneren. Fordi H2 har en koefficient på 3 i den afbalancerede kemiske ligning, bruges der en eksponent på 3 sammen med koncentrationen for H2.

Opgaveeksempel 13.3

Opstilling af ligning for ligevægtskonstanten Opstil ligningen for ligevægtskonstanten for følgende reaktion: $2{\mathrm{SO}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{O}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}\to 2{\mathrm{SO}}_{3\left(\mathrm{g}\right)}$ Løsning Trin 1: Opstil den afbalancerede kemiske ligning. $2{\mathrm{SO}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{O}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}\to 2{\mathrm{SO}}_{3\left(\mathrm{g}\right)}$ Trin 2: Opsæt koncentrationerne af produkterne som tæller og reaktanterne som nævneren. Trin 3: Skriv koefficienterne i reaktionsligningen som eksponenter i ligningen for ligevægtskonstanten.

Heterogen ligevægt

Indtil nu, har vores eksempler kun indeholdt reaktanter på gasform. En reaktion hvor alle reaktanter og produkter er på den samme tilstandsform, opnår en homogen ligevægt. Når reaktanterne og produkterne er i to eller flere forskellige tilstandsformer, benævnes ligevægten som en heterogen ligevægt. I følgende reaktion, opnår fast calciumcarbonat, en heterogen ligevægt med calciumoxid og kuldioxidgas (se figur 13.7).

${\mathrm{CaCO}}_{3\left(\mathrm{s}\right)}\to {\mathrm{CaO}}_{\left(\mathrm{s}\right)}+{\mathrm{CO}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}$

I modsætning til gasser, er koncentrationerne af rent faste stoffer og rent flydende stoffer konstante; de ændres ikke. Derfor, er rent faste stoffer og rent flydende stoffer ikke inkluderet i ligningen for ligevægtskonstanten. For denne heterogene ligevægt, inkluderer K_c ligningen derfor ikke koncentrationerne af CaCO_3(s) eller CaO_(s). Den skrives som: K_c = [CO₂].

Konceptforståelse 13.4

Ligevægtskonstanten for heterogen ligevægte Vælg den korrekte ligning for ligevægtskonstanten for følgende reaktion: ${\mathrm{CO}}_{\left(\mathrm{g}\right)}+2{\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}\rightleftarrows {\mathrm{CH}}_3{\mathrm{OH}}_{\left(\mathrm{l}\right)}$ a.          b.          c. Svar I en heterogen ligevægt, medtages kun gasser i ligningen for ligevægtskonstanten. Koncentrationen af det flydende CH3OH forbliver konstant; det er derfor ikke inkluderet i ligningen for ligevægtskonstanten. Derfor, er det korrekte svar c som angiver koncentrationerne af gasserne CO og H2 i nævneren.

Opgaveeksempel 13.4

Ligning for ligevægtskonstant i heterogene ligevægte Opstil ligningen for ligevægtskonstanten for følgende reaktion ved opnået ligevægt: $4{\mathrm{HCl}}_{\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{O}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}\to 2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{\left(\mathrm{l}\right)}+2{\mathrm{Cl}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}$ Løsning Trin 1: Opstil den afbalancerede kemiske ligning. $4{\mathrm{HCl}}_{\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{O}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}\to 2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{\left(\mathrm{l}\right)}+2{\mathrm{Cl}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}$ Trin 2: Opsæt koncentrationerne af produkterne som tælleren og reaktanterne som nævneren. I denne heterogene reaktion, bliver koncentrationen af det flydende H2O ikke inkluderet i ligningen for ligevægtskonstanten. Trin 3: Skriv eventuelle koefficienter i reaktionsligningen som eksponenter i ligningen for ligevægtskonstanten.

Beregning af ligevægtskonstanten

Ligevægtskonstanten, K_c, er den numeriske værdi man opnår, når man indsætter de eksperimentelt målte molare koncentrationer ved ligevægt i ligningen for ligevægtskonstanten. For eksempel bliver ligningen for ligevægtskonstanten for reaktionen mellem H₂ og I₂ skrevet således:

${\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}+{\mathrm{I}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}\rightleftarrows 2{\mathrm{HI}}_{\left(\mathrm{g}\right)}$

        

I det første eksperiment, bliver koncentrationerne af reaktanterne og produkterne ved ligevægt fundet til at være [H₂] = 0,10 M, [I₂] = 0,20 M, og [HI] = 1,04 M. Når vi indsætter disse værdier ind i ligningen for ligevægtskonstanten, får vi en numerisk værdi.

I efterfølgende eksperiment 2 og 3, har blandingerne andre koncentrationer ved ligevægten, og ved den samme temperatur. Når disse koncentrationer bruges til beregning af ligevægtskonstanten, får vi imidlertid samme værdi af K_c for hver af disse to ekstra eksperimenter (se tabel 13.3). En reaktion ved en specifik temperatur, kan kun have én værdi for ligevægtskonstanten.

Enhederne for K_c afhænger af den specifikke ligning. I dette eksempel, udligner enhederne [M]²/[M]² hinanden, og giver værdien 54. I andre ligninger for ligevægtskonstanten, udligner enhederne ikke hinanden. I denne tekst, vil vi dog altid angive den numeriske værdi uden enheder, som vist i Opgaveeksempel 13.5.

Opgaveeksempel 13.5

Beregn en ligevægtskonstant Nedbrydningen af dinitrogentetraoxid, danner nitrogendioxid: ${\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_{4\left(\mathrm{g}\right)}\rightleftarrows 2{\mathrm{NO}}_{2\left(\mathrm{g}\right)}$ Hvad er den numeriske værdi af Kc ved 100 ºC, hvis en blanding ved ligevægt indeholder 0,45 M N2O4 og 0,31 M NO2? Løsning Trin 1: Angiv de oplyste mængder og ønskede mængder. Trin 2: Opstil Kc ligningen for ligevægten. Trin 3: Indsæt koncentrationerne (den molære) i ligningen, og beregn resultatet.

13.4 – Brug af ligevægtskonstanter →