14.2
Константа равновесия
Рассмотрим окисление диоксида серы:
Для реакции, которая начинается только с смеси реагенты, концентрация продукта изначально равна нулю. По мере того…
Закон действующих масс вводит константу равновесия, чтобы связать равновесные концентрации исходных веществ и продуктов реакции. Для сбалансированного химического уравнения, где A и B исходные вещества, C и D продукты реакции, а строчные буквы a, b, c и d их соответствующие стехиометрические коэффициенты, выражение константы равновесия дается молярными концентрациями продуктов, деленными на молярные концентрации исходных веществ в степени их стехиометрических коэффициентов. Константа равновесия часто выражается символом K или Kc, где нижний индекс c указывает константу равновесия относительно молярной концентрации.
Постоянная равновесия, являющаяся отношением молярных концентраций, не имеет единиц измерения. Большая константа равновесия, намного превышающая 1, означает, что числитель, то есть концентрация продуктов реакции, больше, чем знаменатель, концентрация исходных веществ. Это указывает на то, что равновесие находится в отношении продуктов и способствует прямой реакции.
И наоборот, небольшая константа равновесия, намного меньшая 1, означает, что знаменатель больше, чем числитель. Это означает, что равновесие смещено в сторону исходных веществ и способствует обратной реакции. Для константы равновесия, равной или близкой к 1, относительные концентрации исходных веществ и продуктов реакции почти одинаковы.
Это означает, что ни прямая, ни обратная реакция, не преобладают. Модификации химического уравнения также изменяют константу равновесия. Если химическая реакция с константой равновесия x является обратной, выражение константы равновесия для обратной реакции является обратным для прямой реакции.
Таким образом, новая константа равновесия будет равна 1/x. Если коэффициенты умножаются на другой коэффициент, n, константа равновесия возводится в степень того же коэффициента. Теперь новая константа равновесия будет равна x в степени n.
Когда две или более отдельных реакций складываются вместе, константа равновесия для общей реакции является произведением отдельных констант равновесия. Итак, новая константа равновесия будет равна y умножить на z. Для гетерогенного равновесия выражение константы равновесия исключает чистые твердые или чистые жидкие вещества.
Например, выражение константы равновесия для разложения твердого нитрата аммония до газообразной закиси азота и водяного пара исключает нитрат аммония чистое твердое вещество. Это связано с тем, что относительная молярная концентрация чистого твердого вещества или жидкости остается постоянной во время реакции.
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.