14.2
De evenwichtsconstante
Beschouw de oxidatie van zwaveldioxide:
Voor een reactie die begint met alleen een mengsel van reactanten, is de productconcentratie aanvankelijk geli…
De wet der massawerking introduceert de evenwichtsconstante om de evenwichtsconcentraties van de reactanten en producten te relateren. Voor een uitgebalanceerde chemische vergelijking waarbij A en B reactanten zijn, C en D producten zijn, en kleine letters a, b, c en d hun respectievelijke stoichiometrische coëfficiënten zijn, wordt de uitdrukking van de evenwichtsconstante gegeven door de molaire concentraties van de producten gedeeld door de molaire concentraties van de reactanten, allemaal verhoogd tot hun stoichiometrische coëfficiënten. De evenwichtsconstante wordt vaak uitgedrukt met het symbool K of Kc, waarbij het subscript c de evenwichtsconstante aangeeft met betrekking tot de molaire concentratie.
Omdat het een verhouding is van molaire concentraties, is de evenwichtsconstante eenheidloos. Een grote evenwichtsconstante veel groter dan 1 betekent dat de teller, dat wil zeggen de concentratie van de producten, groter is dan de noemer, de concentratie van de reactanten. Dit geeft aan dat het evenwicht naar de producten toe ligt en bevordert de voorwaartse reactie.
Omgekeerd betekent een kleine evenwichtsconstante van veel minder dan 1 dat de noemer groter is dan de teller. Dit betekent dat het evenwicht in de richting van de reactanten ligt en de omgekeerde reactie bevordert. Voor een evenwichtsconstante van grootte gelijk aan of dichtbij 1, zijn de relatieve concentraties van de reactanten en producten bijna hetzelfde.
Dit geeft aan dat noch de reactie, vooruit noch achteruit, de voorkeur heeft. Wijzigingen in de chemische vergelijking veranderen ook de evenwichtsconstante. Als een chemische reactie met een evenwichtsconstante x wordt omgekeerd, is de uitdrukking van de evenwichtsconstante voor de omgekeerde reactie het omgekeerde van de voorwaartse reactie.
Dus de nieuwe evenwichtsconstante zou 1 gedeeld door x zijn. Als de coëfficiënten worden vermenigvuldigd met een andere factor, n, wordt de evenwichtsconstante tot dezelfde factor verhoogd. De nieuwe evenwichtsconstante zou nu x worden verhoogd tot de macht n.
Wanneer twee of meer individuele reacties bij elkaar worden opgeteld, is de evenwichtsconstante voor de algehele reactie het product van de individuele evenwichtsconstanten. Dus de nieuwe evenwichtsconstante zou y keer z zijn. Voor een heterogeen evenwicht sluit de uitdrukking van de evenwichtsconstante zuivere vaste of zuivere vloeibare entiteiten uit.
De uitdrukking voor de evenwichtsconstante voor de ontleding van vast ammoniumnitraat in gasvormig lachgas en waterdamp sluit bijvoorbeeld ammoniumnitraat uit een zuivere vaste stof. Dit komt doordat de relatieve molaire concentratie van een zuivere vaste stof of vloeistof constant blijft tijdens de reactie.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
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.