14.5: Iloraz reakcji

Stan odwracalnej reakcji dogodnie ocenia się poprzez ocenę jej współczynnika reakcji (Q). Dla odwracalnej reakcji opisanej przez m A + n B ⇌ x C + y D, iloraz reakcji wyprowadza się bezpośrednio ze stechiometrii zrównoważonego równania jako

gdzie indeks dolny c oznacza użycie stężeń molowych w wyrażeniu. Jeśli reagenty i produkty są gazowe, współczynnik reakcji można w podobny sposób wyprowadzić, stosując ciśnienia cząstkowe:

Należy zauważyć, że powyższe równania ilorazu reakcji są uproszczeniem bardziej szczegółowych wyrażeń, które wykorzystują względne wartości stężeń i ciśnień, a nie wartości bezwzględne. Te względne wartości stężeń i ciśnienia są bezwymiarowe (nie mają jednostek); w konsekwencji takie same są ilorazy reakcji.

Wartość liczbowa Q zmienia się w miarę jak reakcja zmierza do równowagi, dlatego może służyć jako użyteczny wskaźnik stanu reakcji. Aby zilustrować ten punkt, rozważmy utlenianie dwutlenku siarki:

Możliwe są tutaj dwa różne scenariusze eksperymentalne: jeden, w którym reakcję inicjuje się wyłącznie mieszaniną reagentów, SO2 i O2, oraz drugi, w którym reakcja rozpoczyna się wyłącznie produktem, SO3. W przypadku reakcji rozpoczynającej się tylko od mieszaniny reagentów Q jest początkowo równe zeru:

W miarę jak reakcja zmierza do równowagi w kierunku do przodu, stężenia reagentów maleją (podobnie jak mianownik Qc), wzrasta stężenie produktu (podobnie jak licznik Qc), a w konsekwencji wzrasta iloraz reakcji. Po osiągnięciu równowagi stężenia reagentów i produktu pozostają stałe, podobnie jak wartość Qc.

Jeśli reakcja rozpoczyna się w obecności samego produktu, wartość Qc jest początkowo nieokreślona (niezmierzalnie duża lub nieskończona):

W tym przypadku reakcja przebiega w kierunku równowagi w odwrotnym kierunku. Stężenie produktu i licznik Qc zmniejszają się z czasem, stężenia reagentów i mianownik Qc rosną, w wyniku czego iloraz reakcji maleje, aż do osiągnięcia stałego stanu w równowadze. Stała wartość Q wykazywana przez układ w równowadze nazywana jest stałą równowagi K:

Obliczanie ilorazu reakcji

Gazowy dwutlenek azotu tworzy czterotlenek diazotu zgodnie z następującym równaniem:

Po dodaniu 0,10 mola NO2 do 1,0-litrowej kolby w temperaturze 25°C stężenie zmienia się tak, że w stanie równowagi [NO2] = 0,016 M i [N2O4] = 0,042 M. Przed utworzeniem się jakiegokolwiek produktu [NO2] = 0,10 M i [N2O4] = 0 M. Zatem

W stanie równowagi

Wyrażenie stałej równowagi jest zapisywane jako stężenia molowe produktów C i D nad reagentami A i B w stanie równowagi, z których każdy jest podniesiony do odpowiednich współczynników stechiometrycznych. Po rozwiązaniu wyrażenie jest równe stałej równowagi, K_c.

Wyrażenie w tej samej postaci można również zapisać dla reagentów i produktów o dowolnym stężeniu, a obliczona ilość jest znana jako iloraz reakcji, Q_c.

Podobnie jak Q_c, wyrażenie Q_p można zapisać dla reakcji gazowych przy użyciu ciśnień cząstkowych.

Podczas gdy K pozostaje stały w określonej temperaturze niezależnie od stężenia, wartość Q zmienia się w miarę postępu reakcji w kierunku produktów lub reagentów.

Iloraz reakcji można wykorzystać do określenia kierunku, w którym będzie przebiegać reakcja, aby osiągnąć równowagę.

Na początku danej reakcji, jeśli stężenie produktów wynosi zero, iloraz reakcji wynosi zero.

Zawsze, gdy stężenie reagentów w mianowniku jest wysokie, tak że Q jest mniejsze niż K, reakcja przesunie się w prawo, aby zsyntetyzować więcej produktów, aż układ osiągnie równowagę.

Jeśli stężenie reagentów wynosi zero, iloraz reakcji jest nieskończony.

Zawsze, gdy stężenie produktów w liczniku jest wysokie, tak że Q jest większe niż K, reakcja przesunie się w lewo, aby wytworzyć więcej reagentów.

Jeśli Q jest równe K, układ jest w równowadze, a szybkość reakcji do przodu i do tyłu jest równa.

Rozważmy daną reakcję ze stałą równowagi 50. Jeśli mieszanina reakcyjna zawiera 0,20 molowego wodoru, 0,20 molowego jodu i 1,7 molowego jodku wodoru, pokazany kierunek reakcji można określić, obliczając Q.

Podstawiając podane stężenia do wyrażenia, Q jest równe 72, które jest większe niż K. W związku z tym reakcja przesunie się w lewo.