Üldise keemilise tasakaalu puhul

α A + β B . . . . ⇌ σ S + τ T . . . {\displaystyle \alpha A+\beta B...\rightleftharpoons \sigma S+\tau T...}

Tasakaalukonstant (K) näitab, kuidas tasakaalus reageerivad ja tekkinud ained omavahelise tasakaalu korral esinevad — täpsemalt on see toodete "aktiivsuste" ja lähtainete "aktiivsuste" suhe, tõstetud vastavate stehiomeetriliste kordajateni.

Matemaatiline definitsioon (aktiivsuste kujul):

K = { S } σ { T } τ . . . . { A } α { B } β . . . {\displaystyle K={\frac {{\{S\}}^{\sigma }{\{T\}}^{\tau }...}{{\{A\}}^{\alpha }{\{B\}}^{\beta }...}}}

Siin on {A} keemilise liigi A aktiivsus jne. Aktiivsus on mõõteta suurus (vt mõõtmeta suurus) ja standardolekuid arvestades annab K puhtalt nummerilise, dimensioonitu väärtuse.

Aktiivsusest kontsentratsioonini — miks sageli kasutatakse Kc

Lahustes seostub iga liigi aktiivsus selle kontsentratsiooniga läbi aktiivsuskoefitsiendi γ: {A} = γ_A [A]. Praktikas määratakse tasakaalukonstandid sageli suure ioonitugevusega lahustes, kus γ väärtused ei muutu oluliselt. Sellistel tingimustel kasutatakse lihtsustatult kontsentratsioonikvooti Kc:

Kc = [ S ] σ [ T ] τ . . . . [ A ] α [ B ] β . . . . {\displaystyle K_{c}={\frac {{[S]}^{\sigma }{[T]}^{\tau }...}{{[A]}^{\alpha }{[B]}^{\beta }...}}}

Tuleb tähele panna, et Kc väärtus võib sõltuda ioonitugevusest ja seetõttu ei ole kontsentratsioonikvooti kasutamine alati täpselt sama kui ideaalsete aktiivsuste põhine K. Kui kasutatakse tegelikke aktiivsusi, on K dimensioonitu; kontsentratsioonide (Kc) puhul võivad "ühikud" formaalselt ilmneda, kuid neid käsitatakse sageli lihtsalt kvanditatiivse suhte väljendina.

Mida K suurus näitab ja kuidas seda tõlgendada

  • K ≫ 1 — tasakaal on nihkunud toodete poole (toodete kogus suurem kui lähtainete oma).
  • K ≪ 1 — tasakaal eelistab lähtaineid (reaktsioon ei käi oluliselt edasi).
  • K ≈ 1 — nii tooted kui ka lähtained on tasakaalus üsna võrdses koguses.

Tasakaalukonstant ei ütle midagi reaktsiooni kiiruse kohta — see kirjeldab ainult lõplikku tasakaaluolukorda. Reaktsiooni kiirust määravad mehhanism ja kiiruskonstandid.

Reaktsiooni kvantifitseerimine: reaktsioonikvoot Q ja suuna ennustamine

Reaktsioonikvoot Q arvutatakse sama valemiga nagu K (kasutades kas aktiivsusi või kontsentratsioone). Kui süsteem pole tasakaalus, siis

  • Q < K → reaktsioon kulgeb paremale (toodete suunas), et saavutada tasakaal;
  • Q > K → reaktsioon kulgeb vasakule (lähtainete suunas);
  • Q = K → süsteem on tasakaalus.

Temperatuuri mõju ja seos vabaenergiaga

Tasakaalukonstant on oluliselt sõltuv temperatuurist. Seos standardvabaenergiaga on:

ΔG° = −RT ln K

kus R on gaasikonstant ja T absoluuttemperatuur. Eksootermilise ja endoenergilise reaktsiooni korral muutub K erinevalt temperatuuri muutudes (Le Chatelier' põhimõte aitab seda kvalitatiivselt ennustada).

Kp vs Kc (gaaside tasakaalud)

Gaasiliste osade puhul kasutatakse tihti rõhupõhist tasakaalukonstanti Kp, mis on seotud Kc-ga järgmise võrrandiga:

Kp = Kc (RT)^{Δn}

kus Δn = moolide koguarv toodetes − moolide koguarv lähtainetes (ainult gaasilised komponendid arvesse võetud) ja R on gaasikonstant. See seos tuleneb ideaalgaasi seosest p = [C]RT.

Kuidas praktiliselt Kc arvutada — näide

Võtame lihtsa tasakaalu: H2 + I2 ⇌ 2 HI. Oletame, et tasakaalus on mõõdetud kontsentratsioonid:

  • [HI] = 0.50 M
  • [H2] = 0.20 M
  • [I2] = 0.20 M

Siis

Kc = [HI]^2 / ([H2][I2]) = (0.50)^2 / (0.20 × 0.20) = 0.25 / 0.04 = 6.25.

Selle Kc järgi on tasakaal paremini toodete (HI) poole kui lähtainete poole antud tingimustel.

Praktilised märkused ja sageli esinevad eksitused

  • Kontsentratsioonikvoot Kc ei pruugi olla sama kui aktiivsustest arvutatud K — kõrge ioonitugevuse tingimustes kasutatakse sageli ligikaudseks Kc.
  • K on temperatuurispetsiifiline suurus — temperatuuritõus võib K-d oluliselt muuta.
  • K väärtus ei sõltu algkontsentratsioonidest, vaid ainult reaktsiooni olemusest ja temperatuurist.
  • Kui stehiomeetrilised kordsed suured, siis pazsentsi korrutamisel tõstetakse kontsentratsioon vastavale astmele (näiteks kahe molekuli vajalikus on ruut).

Kokkuvõte

Tasakaalukonstant (K) on mõõdik, mis kirjeldab, kui suures ulatuses eelistab keemiline tasakaalus olev süsteem tooteid või lähtaineid. Täpse definitsiooni annab aktiivsuste suhe, kuid praktilistes maakemika arvutustes kasutatakse sageli kontsentratsioonikvooti Kc. K on temperatuurist sõltuv ning seotud standardvabaenergiaga relationi kaudu ΔG° = −RT ln K. Reaktsiooni suuna ennustamiseks võrreldakse hetke reaktsioonikvooti Q-ga ning kasutatakse Le Chatelier' põhimõtet temperatuuri, rõhu või kontsentratsioonide muutuste mõju analüüsimiseks.