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La constante d'équilibre
La loi d'action de masse stipule que le rapport entre la concentration des produits et la concentration des réactifs à l'équilibre, élevées à leurs co…
La loi de l'action de masse introduit le constant d'équilibre pour relier les concentrations d'équilibre des réactifs et des produits. Pour une équation chimique équilibrée où A et B sont des réactifs, C et D sont des produits, et a, b, c et d minuscules, sont leurs coefficients stœchiométriques respectifs, l'expression constante d'équilibre est donnée par les concentrations molaires des produits divisés par les concentrations molaires des réactifs, tous élevés à leurs coefficients stœchiométriques. La constante d'équilibre est souvent exprimée par le symbole K ou Kc, où l'indice c indique la constante d'équilibre par rapport à la concentration molaire.
Étant un rapport de concentrations molaires, la constante d'équilibre est sans unitée. Une grande constante d'équilibre bien supérieure à 1 signifie que le numérateur, c'est-à-dire la concentration des produits, est supérieur au dénominateur, la concentration des réactifs. Cela indique que l'équilibre se situe vers les produits et favorise la réaction directe.
A l'inverse, une petite constante d'équilibre bien inférieure à 1 signifie que le dénominateur est supérieur au numérateur. Cela signifie que l'équilibre se situe vers les réactifs et favorise la réaction inverse. Pour une constante d'équilibre de grandeur égale ou proche à 1, les concentrations relatives des réactifs et des produits sont à peu près les mêmes.
Cela indique qu'aucune des deux réactions, directe ou inverse, n'est favorisée. Les modifications de l'équation chimique modifie également la constante d'équilibre. Si une réaction chimique avec une constante d'équilibre x est inversée, l'expression constante d'équilibre car la réaction inverse est la réciproque de la réaction directe.
Ainsi, la nouvelle constante d'équilibre serait 1 sur x. Si les coefficients sont multipliés par un autre facteur, n, la constante d'équilibre est élevé au même facteur. La nouvelle constante d'équilibre serait maintenant x élevé à la puissance n.
Lorsque deux ou plusieurs réactions individuelles sont additionnées, la constante d'équilibre de la réaction globale est le produit des constantes d'équilibre individuelles. Ainsi, la nouvelle constante d'équilibre serait y fois z. Pour un équilibre hétérogène, l'expression constante d'équilibre exclut les entités solides pures ou liquides pures.
Par exemple, l'expression constante d'équilibre pour la décomposition du nitrate d'ammonium solide en protoxyde d'azote gazeux et vapeur d'eau, à l'exclusion du nitrate d'ammonium un solide pur. C'est parce que la concentration molaire relative de solides ou liquides pures restent constantes pendant la réaction.
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Q1: How is the equilibrium constant expression written for a chemical reaction?
The equilibrium constant expression is the ratio of molar concentrations of products divided by molar concentrations of reactants, each raised to their stoichiometric coefficients. For a reaction aA + bB ⇌ cC + dD, the expression is K = [C]^c[D]^d / [A]^a[B]^b. The subscript c in Kc indicates the constant is based on molar concentration. This unitless ratio quantifies the relative amounts of reactants and products at equilibrium.
Q2: What does a large equilibrium constant value tell you about a reaction?
A large equilibrium constant much greater than 1 indicates that the numerator (product concentrations) is greater than the denominator (reactant concentrations), meaning equilibrium lies toward the products and favors the forward reaction. Conversely, a small equilibrium constant much less than 1 means reactant concentrations exceed product concentrations, favoring the reverse reaction. An equilibrium constant near 1 indicates neither direction is favored.
Q3: How does reversing a chemical equation affect its equilibrium constant?
When a chemical reaction is reversed, the equilibrium constant for the reverse reaction becomes the reciprocal of the forward reaction's constant. If the forward reaction has equilibrium constant x, the reversed reaction has equilibrium constant 1/x. This reciprocal relationship reflects the swap of reactants and products in the reversed equation.
Q4: What happens to the equilibrium constant when stoichiometric coefficients are multiplied by a factor?
When stoichiometric coefficients in a chemical equation are multiplied by a factor n, the equilibrium constant is raised to that same factor. If the original equilibrium constant is x, the new equilibrium constant becomes x^n. This exponential relationship ensures the equilibrium expression remains consistent with the modified stoichiometry.
Q5: How do you find the equilibrium constant for coupled reactions?
When two or more equilibrium reactions are added together, the equilibrium constant for the overall reaction is the product of the individual equilibrium constants. If reaction 1 has constant y and reaction 2 has constant z, the combined reaction has equilibrium constant y × z. This multiplicative relationship allows prediction of complex equilibrium systems from simpler component reactions.
Q6: Why are pure solids and pure liquids excluded from heterogeneous equilibrium constant expressions?
Pure solids and pure liquids are excluded from heterogeneous equilibrium constant expressions because their relative molar concentrations remain constant during the reaction. Since the equilibrium constant depends only on concentrations that change, including constant values would be redundant. For example, in ammonium nitrate decomposition, the solid ammonium nitrate is excluded from the expression.
Q7: Does the equilibrium constant indicate how fast a reaction reaches equilibrium?
No, the magnitude of the equilibrium constant does not indicate the reaction rate or how quickly equilibrium is reached. Some equilibria establish nearly instantaneously, while others proceed so slowly that no perceptible change occurs over days, years, or longer. The equilibrium constant only reflects the composition of the reaction mixture at equilibrium, not the speed of reaching that state.