Выражение константы равновесия
Константа химического равновесия показывает, как соотносятся количества веществ в равновесной смеси. Чтобы правильно записать её выражение, сначала уравнивают уравнение реакции, затем берут равновесные концентрации или парциальные давления веществ в степенях, равных коэффициентам в уравнении.
Что такое константа равновесия
Рассмотрим обратимую реакцию общего вида: \(aA+bB\rightleftharpoons cC+dD\). После установления химического равновесия скорости прямой и обратной реакций становятся равными, а концентрации веществ перестают изменяться во времени. Они называются равновесными концентрациями и обозначаются обычно \([A]\), \([B]\), \([C]\), \([D]\) с пометкой «равн.» или индексом \(\mathrm{равн}\).
Константа равновесия — величина, равная отношению произведения равновесных концентраций продуктов реакции к произведению равновесных концентраций исходных веществ; показатели степеней равны стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.
Индекс \(c\) означает, что выражение записано через концентрации. В школьных задачах чаще всего используют молярные концентрации в \(\mathrm{моль/л}\). В формулу подставляют только равновесные, а не начальные концентрации.
Для каждой реакции сначала расставьте коэффициенты. Затем вещества, стоящие справа, поместите в числитель, вещества слева — в знаменатель, а коэффициенты превратите в показатели степеней. Чистые твёрдые вещества и чистые жидкости в выражение константы не включают.
Алгоритм записи через концентрации
- Запишите и уравняйте реакцию обратимым знаком \(\rightleftharpoons\).
- Определите исходные вещества и продукты реакции.
- Перенесите формулы продуктов в числитель, а исходных веществ — в знаменатель.
- Поставьте над каждой формулой степень, равную коэффициенту перед веществом.
- Исключите чистые твёрдые вещества и чистые жидкости.
- Подставляйте в полученное выражение только равновесные значения.
Коэффициенты нельзя заменять индексами внутри химической формулы. Например, коэффициент 2 перед \(\mathrm{NH_3}\) означает два моля аммиака и превращается в степень \(2\): \([\mathrm{NH_3}]^2\). Сам индекс 3 в формуле \(\mathrm{NH_3}\) не становится показателем степени.
В гетерогенной системе присутствуют вещества в разных агрегатных состояниях. Активность чистого твёрдого вещества или чистой жидкости считают постоянной и включают в саму величину константы, поэтому в школьном выражении их формулы не записывают. Подробный случай разобран на странице равновесие в гетерогенной системе.
Как записать \(K_c\) для реакции \(2\mathrm{SO_2}+\mathrm{O_2}\rightleftharpoons2\mathrm{SO_3}\)?
Константа через равновесные давления
Для газовых реакций константу можно выразить через равновесные парциальные давления газов. Парциальное давление — это доля общего давления смеси, приходящаяся на данный газ. Такой вариант обозначают \(K_p\).
Правила для \(K_p\) такие же, как для \(K_c\): продукты — в числителе, исходные вещества — в знаменателе, коэффициенты — показатели степеней. Используют равновесные парциальные давления газов. Твёрдые и жидкие вещества в выражение не включают.
Например, для реакции \(\mathrm{H_2}+\mathrm{I_2}\rightleftharpoons2\mathrm{HI}\) выражение имеет вид:
Если все газообразные вещества находятся при одной температуре, между \(K_p\) и \(K_c\) существует связь:
Здесь \(R\) — газовая постоянная, \(T\) — абсолютная температура в кельвинах, а \(\Delta n\) — изменение количества молей газообразных веществ: сумма коэффициентов газов-продуктов минус сумма коэффициентов газов-исходных веществ. Если \(\Delta n=0\), то \(K_p=K_c\).
В школьных заданиях чаще просят именно записать выражение константы, а не вычислять её. Для этого не нужны температура, объём сосуда и начальные концентрации: достаточно уравнения реакции и указания, какие значения являются равновесными.
Разобранный пример
Для реакции \(\mathrm{CO}+\mathrm{H_2O}\rightleftharpoons\mathrm{CO_2}+\mathrm{H_2}\) требуется записать выражение \(K_c\), если все вещества находятся в газовой фазе.
Показать решение Пример
Искомое выражение содержит только равновесные концентрации. Если в условии даны давления газов, аналогично записывают \(K_p=\frac{p_{\mathrm{CO_2}}\cdot p_{\mathrm{H_2}}}{p_{\mathrm{CO}}\cdot p_{\mathrm{H_2O}}}\).
Частые ошибки и связь с уравнением реакции
1. Записывают вещества слева в числителе, то есть получают обратную величину. 2. Используют начальные концентрации вместо равновесных. 3. Не возводят концентрацию в степень, равную коэффициенту. 4. Включают в выражение твёрдое вещество или чистую жидкость. 5. Переписывают неуравненное уравнение и получают неверные показатели степеней. 6. Путают индекс в формуле вещества с коэффициентом реакции. 7. Для \(K_p\) используют общее давление смеси вместо парциальных давлений.
Если уравнение реакции умножить на число \(m\), новая константа будет связана с прежней так: \(K' = K^m\). Если реакцию записать в обратном направлении, константа станет обратной: \(K_{\mathrm{обр}}=\frac{1}{K_{\mathrm{прям}}}\). Поэтому направление реакции и коэффициенты должны быть точно такими, как указано в условии.
Сама константа зависит от температуры. Изменение концентраций или давления может сместить равновесие, но при постоянной температуре не изменяет значение константы. Катализатор также не изменяет \(K\): он ускоряет достижение равновесия, но не меняет его состав. Расчёты с изменением концентраций продолжены на странице расчёты химического равновесия, а общие свойства константы — на странице константа химического равновесия.
Быстрая проверка
Главное
- Сначала уравняйте реакцию и определите её направление.
- В \(K_c\) используют равновесные концентрации, а в \(K_p\) — равновесные парциальные давления.
- Продукты записывают в числителе, исходные вещества — в знаменателе.
- Коэффициенты реакции становятся показателями степеней.
- Чистые твёрдые вещества и чистые жидкости из выражения исключают; значение константы меняется только при изменении температуры.