Stała równowagi reakcji

W chemii bardzo często spotykamy się z reakcjami, które nie zachodzą do końca. Oznacza to, że reagenty nie zamieniają się w 100% w produkty. Zamiast tego powstaje stan, w którym reakcja zachodzi w obie strony jednocześnie. Taki stan nazywamy równowagą chemiczną.

Do opisu tej sytuacji służy właśnie stała równowagi reakcji, oznaczana symbolem K.

Czym jest równowaga chemiczna?

Rozważmy reakcję:

A + B ⮂ C + D

Strzałka w dwie strony oznacza, że:

• substraty (A i B) tworzą produkty (C i D),
• produkty mogą z powrotem przekształcać się w substraty.

W pewnym momencie szybkość reakcji biegnącej w prawo i szybkość reakcji biegnącej w lewo są takie same. Wtedy układ znajduje się w stanie równowagi chemicznej.

Ważne: W momencie równowagi chemicznej procesy w układzie się nie zatrzymują.

Co to jest stała równowagi (K)?

Wyrażenie na stałą równowagi reakcji jest matematycznym „rozpisaniem” prawa działania mas. W wyrażeniu na  stałą równowagi reakcji chemicznej, która przebiega w ściśle określonej temperaturzem, zapisujemy stężenia wszystkich reagentów, podniesionych do odpowiednich potęg równych współczynnikom stechiometrycznym, będących w fazie zachodzenia reakcji chemicznej.

Dla reakcji opisanej równaniem:

aA + bB ⮂ cC + dD

wzór na stałą równowagi ma postać:

Gdzie:

a, b, c, d – współczynniki stechiometryczne.

[A], [B], [C], [D] – stężenia równowagowe substancji,

Jak interpretować wartość K?

Wartość stałej równowagi mówi nam, w którą stronę przesunięta jest równowaga reakcji.

b) K < 1 – równowaga przesunięta jest w stronę tworzenia substratów

K > 1– równowaga przesunięta jest w stronę tworzenia produktów

Od czego zależy stała równowagi?

Stała równowagi zależy tylko od temperatury!

Nie zależy natomiast między innymi od:

• stężeń początkowych,
• objętości,
• obecności katalizatora.

Katalizator przyspiesza osiągnięcie stanu równowagi, ale nie zmienia wartości K.

Rodzaje stałych równowagi

a) K_c – stężeniowa stała równowagi

Stężeniowa stała równowagi 𝐊𝐜 to wielkość bezwymiarowa, która jest stosunkiem iloczynu stężeń równowagowych produktów do iloczynu stężeń równowagowych substratów podniesionych do odpowiednich potęg, będących ich współczynnikami stechiometrycznymi w równaniu reakcji.

b) K_p – ciśnieniowa stała równowagi

Ciśnieniowa stała równowagi 𝐊𝐩 (dla reagentów gazowych) to wielkość bezwymiarowa, która jest stosunkiem iloczynu równowagowych ciśnień produktów do iloczynu równowagowych ciśnień substratów podniesionych do odpowiednich potęg, będących ich współczynnikami stechiometrycznymi w równaniu reakcji.

Przykład obliczeniowy

Rozważmy reakcję opisaną równaniem:

H₂ + I₂ ⮂ 2HI

Wzór na K:

K = [HI]² / ([H₂] · [I₂])

Jeśli w stanie równowagi stężenia wynoszą odpowiednio:

• [HI] = 2 mol/dm³
• [H₂] = 1 mol/dm³
• [I₂] = 1 mol/dm³

To:

K_c = (2²) / (1 · 1) = 4

Reguła przekory (Le Chateliera)

Zasada Le Chateliera mówi, że: jeśli na układ w równowadze zadziałamy jakimś czynnikiem zewnętrznym, układ będzie dążył do osłabienia jego skutków.

Zmiana:

• stężenia,
• ciśnienia,
• temperatury

powoduje przesunięcie stanu równowagi.

Po zmianie warunków reakcji równowaga przesuwa się w tym kierunku, który osłabia skutek tej zmiany i tym samym ustala się NOWY stan równowagi.

Uwaga: tylko zmiana temperatury wpływa na wartość K.

Zadania w stylu maturalnym

Zadanie 1.

Dana jest reakcja opisana równaniem:

2A + B ⇄ C

Do zamkniętego reaktora, o objętości 2 dm³ wprowadzono 4 mole A oraz 6 mole B. Po ustaleniu się stanu równowagi stężenie produktu C wynosiło 0,5 mol/dm³. Oblicz stężeniową stałą równowagi K_c.

Rozwiązanie:

Zadanie 2

W reaktorze o objętości 1 dm³ przebiega w stałej temperaturze T reakcja opisana równaniem:

A_(g) + B_(g)  ⇄ C_(g)  + 3D_(g)

Po zmieszaniu substratów A i B w stosunku objętościowym 1:1 zainicjowano reakcję. W mieszaninie równowagowej stężenie produktu D wynosiło 2,1 mol/dm³. Stała równowagi tej reakcji w tej temperaturze wynosi 4. Oblicz stężenia równowagowe substratów A i B.

Rozwiązanie:

C_A = C_B

3x = 2,1 mol/dm³ => x = 0,7 mol/dm³

K_c =  =  = 4

4(C_A² -2C_A + 0,49) = 6,5

(C_A² -2C_A + 0,49) = 1,63

C_A² -2C_A -1,14 = 0

x₁ = -0,46 – odrzucamy, bo stężenie nie może być ujemne

x₂ = 2,46

[A] = [B] = 2,46 – 0,7 = 1,76 mol/dm³

Zadanie 3.

W zamkniętym reaktorze o objętości 2 dm³ pomiędzy substancjami A, B i C, które w warunkach reakcji są gazami, ustala się stan równowagi chemicznej. Zmianę liczby moli reagentów A, B i C w trakcie reakcji przestawia poniższy wykres. Zapisz równanie tej reakcji oraz oblicz stężeniową stałą równowagi tej reakcji.

Rozwiązanie:

 Rozwiązanie:

Zmiana liczby moli:

Substancji A i B przereagowało po 3 mole, substancji C powstało 6 moli, więc równanie reakcji będzie miało postać:

A + B ⇄ 2C

Stężenia równowagowe:

C_A = 7 moli/2 dm³ = 3,5 mol/dm³

C_B = 5 moli/2 dm³ = 2,5 mol/dm³

C_C = 6 moli/2 dm³ = 3 mol/dm³